projeto e testes de uma churrasqueira a etanol com queimadores
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BRUNO BOCCHI
Projeto e testes de uma churrasqueira a etanol com queimadores
infravermelhos
São Paulo
2016
BRUNO BOCCHI
Projeto e testes de uma churrasqueira a etanol com queimadores infravermelhos
Dissertação apresentada à Escola Politécnica da
Universidade de São Paulo para obtenção do
título de Mestre em Engenharia
Orientador: Marcos de Mattos Pimenta
Área de Concentração:
Engenharia Mecânica
São Paulo
2016
Autorizo a reprodução e divulgação total ou parcial deste trabalho, por qualquer meio
convencional ou eletrônico, para fins de estudo e pesquisa, desde que citada a fonte.
Ficha catalográfica
Bocchi, Bruno
Projeto e testes de uma churrasqueira a etanol com queimadores infravermelhos / B. Bocchi -- São Paulo, 2016.
130 p.
Dissertação (Mestrado) - Escola Politécnica da Universidade de São Paulo. Departamento de Engenharia Mecânica.
1.Etanol 2.Churrasqueiras I.Universidade de São Paulo.
Escola Politécnica. Departamento de Engenharia Mecânica II.t.
Nome: BOCCHI, Bruno
Título: Projeto e testes de uma churrasqueira a etanol com queimadores infravermelhos
Dissertação apresentada à Escola Politécnica da
Universidade de São Paulo para obtenção do título de
Mestre em Engenharia Mecânica
Aprovado em:
Banca Examinadora
Prof. Dr. ____________________________Instituição: ______________________________
Julgamento: _________________________Assinatura: ______________________________
Prof. Dr. ____________________________Instituição: ______________________________
Julgamento: _________________________Assinatura: ______________________________
Prof. Dr. ____________________________Instituição: ______________________________
Julgamento: _________________________Assinatura: ______________________________
DEDICATÓRIA
À minha esposa, Marcia, pela compreensão, incentivo e amor durante todo o período de
elaboração deste trabalho
À minha filha, Gaia, por ter nascido durante este período e me ter proporcionado uma nova
forma de ver o mundo
Aos meus pais e irmãos, por estarem ao meu lado em todos passos até chegar a este estágio de
vida
AGRADECIMENTOS
Ao Professor Pimenta, pela dedicação, atenção e apoio durante todo o desenvolvimento do
trabalho
À Finep, por me possibilitar trabalhar no setor de biocombustíveis, além de disponibilizar
jornada flexível, permitindo a execução desta dissertação
Ao CNPq, pela concessão da bolsa de mestrado e pelo apoio financeiro durante os primeiros
meses de pesquisa
RESUMO
BOCCHI, B. Projeto e testes de uma churrasqueira a etanol com queimadores infravermelhos.
2016. 130 f. Tese (Mestrado) - Departamento de Engenharia Mecânica, Escola Politécnica,
Universidade de São Paulo, São Paulo, 2016.
Atualmente, há poucas aplicações de uso de combustíveis renováveis em queimadores, apesar
de representarem grande parte do consumo de energia primária. O etanol se apresenta como
uma alternativa com grande potencial para substituição de combustíveis não-renováveis em
queimadores no Brasil. Tendo em vista este potencial, foi realizado um estudo de possíveis
aplicações de queimadores a etanol, com potência inferior a 50 kW, do ponto de vista
ambiental, econômico e tecnológico. Foi selecionada uma churrasqueira como a aplicação
mais viável. Tendo em vista a necessidade de troca de calor por radiação, foram selecionados
queimadores porosos infravermelhos em conjunto com bicos pulverizadores.
Durante os testes, a combustão incompleta com gotejamento de combustível se mostrou um
problema freqüente. Foi construída uma série de protótipos até se chegar a uma solução final
do problema. Este protótipo final, com itens de baixo custo, foi testado avaliando-se potência
e emissões, apresentando performance adequada. Foram também estabelecidas diretrizes para
desenvolvimento de um produto.
Palavras-chave: Etanol, Queimador, Combustão, Churrasqueira
ABSTRACT
BOCCHI, B. Project and tests of an ethanol grill with infrared burners. 2016. 130 f. Tese
(Mestrado) - Departamento de Engenharia Mecânica, Escola Politécnica, Universidade de São
Paulo, São Paulo, 2016.
Nowadays, there are few applications of renewable fuels in burners, despite representing a
large share of primary energy consumption. Ethanol presents as an alternative with great
potential of non-renewable fuels substitution in burners in Brazil. Facing this potential, a
study with possible applications of ethanol burners, with output power lower than 50 kW, was
carried out, considering environmental, economic and technological aspects. Grill was chosen
as the most feasible application. Once radiant heat transfer is needed, infrared porous burner
combined with spray nozzles were selected.
Throughout the tests, incomplete combustion with fuel dripping was shown as a recurrent
problem. A sequence of prototypes was built until a final solution. This last prototype, with
low cost components, was tested, assessing output power end emissions, presenting sufficient
performance. Guidelines to product development were stipulated.
Keywords: Ethanol, Burner, Combustion, Grill
LISTA DE FIGURAS
Figura 2.1 - Fogão a etanol (DOMETIC, 2013) ......................................................................... 7
Figura 2.2 - Lareira a etanol (VAUNI, 2012) ............................................................................. 8
Figura 3.1 - Faixa de inflamabilidade (GARCIA, 2002) .......................................................... 24
Figura 3.2 - Emissões de CO e NOX (PINHEIRO; VALLE, 2013) ......................................... 27
Figura 3.3 - Temperatura de chama adiabática (GLAUDE et al., 2010) .................................. 28
Figura 3.4 - Produção de etanol durante o ano (MME, 2013) .................................................. 31
Figura 3.5 - Aquecedor de ambientes (GENERAL HEATER, 2013) ...................................... 39
Figura 3.6 - Lareira a etanol (VAUNI, 2012) ........................................................................... 41
Figura 3.7 - Churrasqueira a gás - Britain (NAUTIKA, 2013) ................................................ 42
Figura 3.8 - Churrasqueira a gás (CHARBROIL, 2013) .......................................................... 43
Figura 3.9 - Maçaricos de baixa temperatura (BENZOMATIC, 2013) ................................... 44
Figura 3.10 - Componentes básicos de maçaricos de alta temperatura (HOW STUFF
WORKS, 2008) ........................................................................................................................ 45
Figura 3.11 - Preços do etanol hidratado por tipo - 01/2008 a 03/2013 (CEPEA, 2013) ......... 53
Figura 4.1 - Pulverizador de jato de pressão (BIZZO, 2013) ................................................... 56
Figura 4.2 - Pulverizador a 2 fluidos (BIZZO, 2013) ............................................................... 56
Figura 4.3 - Copo rotativo (BIZZO, 2013) ............................................................................... 57
Figura 4.4 - Queimadores por radiação (BIZZO, 2013) ........................................................... 58
Figura 4.5 - Pool fire e influência da razão de aspecto (TU et al., 2013) ................................. 59
Figura 4.6 - Queimador poroso com pulverizador (KAPLAN; HALL, 1995) ......................... 61
Figura 4.7 - Protótipo conceitual com GLP .............................................................................. 63
Figura 4.8 - Cozimento do alimento no protótipo conceitual com GLP .................................. 64
Figura 4.9 - Modelo de protótipo de churrasqueira a etanol .................................................... 67
Figura 4.10 - Modelo na sua configuração final ....................................................................... 69
Figura 4.11 - Queimadores estreitos na sua configuração final em funcionamento................. 69
Figura 5.1 - Configurações 1 e 2 (entrada inferior e lateral no queimador original) ................ 73
Figura 5.2 - Configuração 3 (queimador curto e estreito) ........................................................ 74
Figura 5.3 - Configurações 7, 8, 9 e 10 .................................................................................... 75
Figura 5.4 - Teste de Campo .................................................................................................... 78
Figura 5.5 - Cozimento da carne .............................................................................................. 78
LISTA DE TABELAS
Tabela 1.1 - Oferta interna de energia por fonte (BEN, 2015) ................................................... 2
Tabela 1.2 - Oferta de energia elétrica por fonte (BEN, 2015) .................................................. 3
Tabela 1.3 - Consumo final energético por fonte e setor em 103 toneladas equivalentes de
petróleo (BEN, 2015) e potencial substituível por etanol .......................................................... 4
Tabela 3.1 - Comparativo de custos de insumo energético ...................................................... 14
Tabela 3.2 - Potencial de aquecimento global (IPCC, 2007) ................................................... 15
Tabela 3.3 - Emissões por tipo de combustível ........................................................................ 16
Tabela 3.4 - Emissões para o etanol hidratado em CO2 equivalente ........................................ 17
Tabela 3.5 - Emissões por tipo de combustível produzido a partir de biomassa não renovável
(IPCC, 2006) ............................................................................................................................. 18
Tabela 3.6 - Emissões para a eletricidade (MCT, 2011) .......................................................... 18
Tabela 3.7 - Reduções de emissões de combustíveis na substituição por etanol em
queimadores (103 ton-CO2 eq) .................................................................................................. 20
Tabela 3.8 - Considerações de combustíveis gasosos, líquidos e sólidos ................................ 22
Tabela 3.9 - Características dos combustíveis .......................................................................... 25
Tabela 3.10 - Emissões comparativas por tipo de combustível ................................................ 29
Tabela 3.11 - Produção de cana-de-açúcar (UDOP, 2013) ...................................................... 30
Tabela 3.12 - Produção de etanol por país em 2009 (RFA, 2013) ........................................... 30
Tabela 3.13 - Quadro comparativo de riscos para variação de preços do etanol e derivados de
petróleo ..................................................................................................................................... 31
Tabela 3.14 - Comparativo de fontes de energia – consumidor residencial ............................. 32
Tabela 3.15 - Comparativo de fontes de energia – consumidor industrial/comercial .............. 33
Tabela 3.16 - Matriz de seleção para aplicação residencial ..................................................... 35
Tabela 3.17 - Matriz de seleção para aplicação comercial/industrial/agropecuária ................. 36
Tabela 3.18 - Propriedades de fluidos de isqueiro em comparação com etanol ....................... 46
Tabela 3.19 - Comparativo de insumo energético por equipamento ........................................ 48
Tabela 3.20 - Comparativo entre as soluções com critérios do investidor ............................... 51
Tabela 4.1 - Comparativo de queimadores de líquidos (SAN JOSÉ ALONSO, 2012) ........... 58
Tabela 4.2 - Especificação dos componentes ........................................................................... 68
Tabela 5.1 - Configurações testadas ......................................................................................... 71
Tabela A.1 - Consumo final energético por fonte e setor, potencial de substituição por etanol e
emissões mitigadas ................................................................................................................... 91
Tabela B.1 - PCI dos combustíveis (BEN, 2015) ................................................................... 101
Tabela C.1 - Combustíveis e pontos de venda........................................................................ 108
Tabela D.1 - Notas de seleção do investidor .......................................................................... 111
Tabela E.1 - Dimensionamento da vaporização do etanol ..................................................... 112
Tabela F.1 - Dimensionamento inicial da vazão de etanol para bico de 0,25 GPH e vazão
obtida ...................................................................................................................................... 114
Tabela F.2 - Dimensionamento inicial da vazão de ar para bico de 0,25 GPH ...................... 115
Tabela F.3 - Valores da reação química para dimensionamento inicial ................................. 115
Tabela F.4 - Dimensionamento final da vazão de ar para bico de 0,25 GPH ......................... 116
Tabela F.5 - Valores da reação química para dimensionamento final.................................... 117
LISTA DE SIGLAS
CFD Dinâmica de Fluidos Computacional
DDT Diclorodifeniltricloroetano (pesticida)
GEE Gases de Efeito Estufa
GLP Gás Liquefeito de Petróleo
GN Gás Natural
HC Hidrocarbonetos
MAPP Mistura de metilacetileno e propadieno
MCI Motor de Combustão Interna
MDL Mecanismo de Desenvolvimento Limpo
MP Material Particulado
PCI Poder Calorífico Inferior
TRR Transportador Revendedor Retalhista
UHC Hidrocarbonetos não-queimados
SUMÁRIO
1.1 JUSTIFICATIVA E OBJETIVOS ....................................................................................... 1
1.2 POTENCIAL DE UTILIZAÇÃO DE ETANOL PARA ENERGIA TÉRMICA ............... 2
1.2.1 Panorama geral da energia no Brasil ............................................................................ 2
1.2.2 Estimativa da utilização por setor .................................................................................. 3
2.1 QUEIMADORES COMERCIALIZADOS .......................................................................... 7
2.2 SUBSTITUIÇÃO DE ÓLEO DIESEL POR ETANOL ....................................................... 8
2.3 PESQUISAS COM QUEIMADORES CONVENCIONAIS A ETANOL ........................ 10
2.4 PESQUISAS COM QUEIMADORES NÃO-CONVENCIONAIS ................................... 10
3.1 SELEÇÃO DO INSUMO ENERGÉTICO PELO CONSUMIDOR - CLASSIFICAÇÃO
DOS COMBUSTÍVEIS ............................................................................................................ 13
3.1.1 Custo do insumo energético .......................................................................................... 13
3.1.2 Emissões de GEE (Gases de Efeito Estufa) ................................................................. 15
3.1.3 Características dos equipamentos e combustíveis ...................................................... 21
3.1.4 Emissões de NOX, SOX, CO, hidrocarbonetos e material particulado ..................... 26
3.1.5 Utilização de etanol e riscos econômicos associados ................................................... 29
3.1.6 Classificação dos combustíveis ..................................................................................... 32
3.2 SELEÇÃO DO INSUMO ENERGÉTICO PELO CONSUMIDOR – ANÁLISE DAS
APLICAÇÕES ......................................................................................................................... 34
3.3 SELEÇÃO PELO INVESTIDOR ...................................................................................... 37
3.4 SELEÇÃO DO EQUIPAMENTO PELO CONSUMIDOR - ANÁLISE DAS
APLICAÇÕES ......................................................................................................................... 38
3.4.1 Aquecedor de áreas externas ........................................................................................ 38
3.4.2 Lareira ............................................................................................................................ 40
3.4.3 Churrasqueira ................................................................................................................ 42
3.4.4 Maçaricos ....................................................................................................................... 44
3.4.5 Fogão Portátil ................................................................................................................. 45
3.4.6 Isqueiros ......................................................................................................................... 46
3.4.7 Seleção de melhor aplicação para o etanol .................................................................. 47
1 INTRODUÇÃO ..................................................................................................................... 1
2 APLICAÇÕES DESENVOLVIDAS PARA QUEIMADORES A ETANOL .................. 7
3 SELEÇÃO DA APLICAÇÃO ............................................................................................ 13
3.5 CONSIDERAÇÕES SOBRE APLICAÇÕES ACIMA DE 50 kW ................................... 52
4.1 TIPOS DE QUEIMADORES ............................................................................................. 55
4.2 SELEÇÃO DO QUEIMADOR .......................................................................................... 60
4.3 QUEIMADORES POROSOS COM COMBUSTÃO DE LÍQUIDOS JÁ
DESENVOLVIDOS ................................................................................................................. 61
4.4 DESCRIÇÃO DA INSTALAÇÃO .................................................................................... 62
5.1 CONFIGURAÇÕES TESTADAS ..................................................................................... 70
5.2 MEDIÇÃO DE POTÊNCIA E DE CO .............................................................................. 76
5.3 TESTE QUALITATIVO .................................................................................................... 78
5.4 CONSIDERAÇÕES PARA DESENVOLVIMENTO DE PRODUTO ............................. 79
4 PROJETO DA APLICAÇÃO ............................................................................................ 55
5 RESULTADOS OBTIDOS ................................................................................................. 70
6 CONCLUSÕES .................................................................................................................... 80
REFERÊNCIAS ..................................................................................................................... 82
APÊNDICE A - CONSUMO FINAL ENERGÉTICO POR FONTE E SETOR,
POTENCIAL DE SUBSTITUIÇÃO POR ETANOL E EMISSÕES MITIGADAS ........ 91
APÊNDICE B - LEVANTAMENTO DE CUSTOS DE INSUMOS ENERGÉTICOS . 101
APÊNDICE C - CRITÉRIOS DE SELEÇÃO ................................................................... 103
APÊNDICE D - NOTAS DE SELEÇÃO DO INVESTIDOR .......................................... 111
APÊNDICE E - DIMENSIONAMENTO DA VAPORIZAÇÃO DO ETANOL ............ 112
APÊNDICE F - DIMENSIONAMENTO INICIAL E VALORES MEDIDOS .............. 113
1
1 INTRODUÇÃO
1.1 JUSTIFICATIVA E OBJETIVOS
A maior parte do consumo de energia está concentrada em demandas térmicas,
diferentemente do entendimento geral que gira em torno da energia utilizada no setor de
transportes e na forma de eletricidade.
Ao contrário do que ocorre nestes dois últimos, ainda há poucos substitutos viáveis
para fontes não-renováveis de energia na transformação em energia térmica; o etanol pode se
apresentar como uma alternativa viável com sua utilização em queimadores.
Tendo em vista este cenário, o primeiro objetivo do trabalho é definir a aplicação mais
viável para utilização do etanol em queimadores, sendo que a aplicação selecionada foi a
churrasqueira.
Com a aplicação selecionada, o próximo objetivo é comprovar a viabilidade técnica e
econômica da churrasqueira a etanol, com um protótipo de baixo custo e performance
adequada. Tendo em vista os objetivos e desenvolvimento cronológico do trabalho, os
capítulos se desenvolveram da seguinte forma.
No Capítulo 1, é analisado o potencial do etanol para substituição de fontes não-
renováveis.
No Capítulo 2, são analisados estudos já realizados e as atuais aplicações de
queimadores a etanol na queima direta.
No Capítulo 3, são analisados fatores relevantes para o consumidor na seleção de
combustíveis e equipamentos, são avaliadas as possíveis aplicações para queimadores a etanol
com base nestes fatores de seleção e a mais viável é selecionada.
No Capítulo 4, são analisados os tipos de queimadores existentes para a combustão do
etanol e um tipo de queimador é selecionado para a aplicação. O conceito do queimador é
validado e o dimensionamento dos sistemas de alimentação de ar e de combustível é
realizado.
No Capítulo 5, são mostrados os resultados obtidos com o protótipo de churrasqueira.
No Capítulo 6, é elaborada a conclusão do trabalho.
Salienta-se que quando utilizado o termo etanol, refere-se ao etanol hidratado comum,
disponível em postos de combustíveis.
2
1.2 POTENCIAL DE UTILIZAÇÃO DE ETANOL PARA ENERGIA TÉRMICA
1.2.1 Panorama geral da energia no Brasil
Apesar de ser um senso comum que o Brasil possua uma matriz renovável de energia,
atualmente esta é baseada na utilização de combustíveis fósseis, com 55,9% do consumo em
fontes não renováveis de energia conforme tabela 1.1 abaixo.
Tabela 1.1 - Oferta interna de energia por fonte (BEN, 2015)
Fontes 2014 (%)
Energia não renovável 60,6
Petróleo e derivados 39,4
Gás natural 13,5
Carvão mineral e coque 5,7
Urânio (u3o8) 1,3
Outras não-renováveis 0,6
Energia renovável 39,4
Hidráulica e eletricidade 11,5
Lenha e carvão vegetal 8,1
Derivados da cana 15,7
Outras renováveis 4,1
Total 100
Da parte renovável da matriz energética brasileira, a maior parte é convertida em
energia elétrica, oriunda de hidrelétricas e bagaço de cana-de-açúcar, o que pode ser
observado na tabela 1.2, ou, é convertida em etanol para utilização em veículos. Exceto o uso
de lenha e de carvão vegetal, não há uma fonte renovável significativa utilizada em processos
em que a transferência de calor é a demanda final.
3
Tabela 1.2 - Oferta de energia elétrica por fonte (BEN, 2015)
Fontes 2014 (%)
Hidráulica 65,2
Biomassa 7,3
Gás Natural 13,0
Nuclear 2,5
Petróleo e derivados 6,9
Carvão mineral e derivados 3,2
Eólica 2,0
Total 100
1.2.2 Estimativa da utilização por setor
Com intuito de se estimar qual o potencial ainda não explorado de um possível uso de
etanol em queimadores, foi realizada uma análise de cada setor de economia, seus
combustíveis e seus respectivos potenciais de utilização de etanol em queimadores
(metodologia detalhada no Apêndice A). Para tanto, buscou-se considerar a utilização de
biomassa não-renovável e combustível fóssil para geração de energia térmica,
desconsiderando emprego em motores de combustão interna e em aplicações com requisitos
de processo. Abaixo, na tabela 1.3, estão os resultados do estudo.
4
Tabela 1.3 - Consumo final energético por fonte e setor em 103 toneladas equivalentes de petróleo (BEN, 2015) e potencial substituível por etanol
Setores Etanol Carvão vapor Carvão vegetal Coque de carvão
mineral Eletricidade Gás de cidade Gás natural Gasolina GLP
Agropecuário 11 - - - 8 4 - - 2.298 - - - - - - - 2 2 Comercial - - - - 91 46 - - 7.790 - - - 179 179 - - 442 442 Industrial - - 3.821 614 3.386 15 8.018 - 17.703 - 1.242 - 9.708 9.708 - - 1.121 1.121 Público - - - - - - - - 3.666 - - - 40 40 - - 257 257 Residencial - - - - 478 478 - - 11.352 2.838 - - 310 310 - - 6.535 6.535 Transportes 13.008 - - - - - - - 167 - - - 1.594 - 25.740 - - - Energético - - - - - - - - 2.678 - 187 - 6.306 - - - 5 -
Total Geral 13.019 - 3.821 614 3.963 543 8.018 - 45.655 2.838 1.430 - 18.138 10.237 25.740 - 8.363 8.358
Setores Lenha Óleo combustível Óleo diesel Outras de carvão
mineral Outras primárias
renováveis
Outras secundárias de
petróleo Outros produtos
da cana Querosene Total
Total substi-tuível
Agropecuário 2.682 1.341 24 24 6.184 - - - - - - - - - 0 - 11.209 1.371 Comercial 97 48 22 22 7 7 - - - - - - - - - - 8.629 744 Industrial 7.785 3.036 2.585 2.585 1.208 1.208 92 - 6.868 - 7.818 3.354 16.146 - 2 1 87.502 21.642 Público - - 11 11 4 4 - - - - - - - - 0 - 3.978 312 Residencial 6.109 6.109 - - - - - - - - - - - - 3 3 24.786 16.273 Transportes - - 1.133 - 41.019 - - - - - - - - - 3.651 - 86.312 - Energético - - 311 - 1.513 - - - - - 3.985 - 12.466 - - - 27.453 -
Total Geral 16.672 10.534 4.086 2.642 49.935 1.219 92 - 6.868 - 11.803 3.354 28.612 - 3.655 4 249.868 40.342 Nota: Em negrito, a quantidade calculada substituível por etanol na queima direta. Uma tonelada equivalente de petróleo corresponde a 41,87 x 109 J.
5
No setor de transportes, como grande parte do uso se dá em motores de combustão
interna, não é aplicável a utilização de queimadores a etanol na combustão direta. Além disso,
este é setor em que o etanol possui a maior participação, especialmente no uso de etanol
hidratado em motores bicombustíveis e na mistura de etanol anidro na gasolina tipo C, em
uma proporção de 20 a 27%.
Em relação ao consumo residencial, um percentual considerável da eletricidade é
transformado diretamente em energia térmica, como o uso em chuveiros elétricos, responsável
por 20 a 30% do consumo de uma residência. Não é muito sensata esta conversão de energia
elétrica em térmica, já que a eletricidade é uma forma mais nobre de energia, devido à falta de
viabilidade de armazenagem, o que acarreta na necessidade de grandes capacidades de
geração e transmissão para atendimento de demandas de pico, elevando desnecessariamente
os custos para todo o sistema. Inicialmente, a energia solar é a alternativa mais viável do
ponto de vista ambiental, mas é necessária a utilização de um sistema back-up em caso de
falta de insolação, além de não ser possível suprir toda a demanda de energia térmica em
edifícios. Além disso, tem aumentado a utilização de usinas a gás natural e óleo diesel para
geração de eletricidade para atendimento desta demanda (sem se utilizar de cogeração), o que
do ponto de vista ambiental é uma incongruência, já que uma usina em um ciclo
termodinâmico possui uma eficiência de 20-40% e utilizando esta eletricidade para conversão
em energia térmica, estaria sendo desperdiçada acima de 60% da energia do combustível.
As fontes renováveis de carvão vegetal e de lenha no setor residencial são também
passíveis de substituição, uma vez que, com a evolução de renda, os consumidores tendem a
migrar para fontes como GLP e GN, fenômeno que já aconteceu nos países desenvolvidos.
(OHIMAIN, 2012)
Em relação ao setor energético, que inclui refinarias de petróleo, plantas de GN, usinas
de gaseificação, coquerias, ciclo do combustível nuclear, centrais elétricas de serviço público
e autoprodutoras, carvoarias, destilarias e a energia consumida dentro destas unidades nos
processos de extração e transporte interno de produtos energéticos (BEN, 2015), não foi
considerada a utilização de etanol, uma vez que a energia consumida dentro destas tem
preferencialmente a mesma origem que a matéria-prima processada dentro da planta.
No setor agropecuário, foram considerados somente óleo combustível e GLP, uma vez
que o óleo diesel é utilizado em grande parte em máquinas agrícolas em motores de
combustão interna.
Nos setores comerciais e públicos, foram consideradas todas as fontes fósseis de
energia.
6
Outra questão a ser considerada é o uso de carvão vegetal e lenha no Brasil. Estima-se
que 50% do carvão vegetal no Brasil seja obtido de maneira ilegal, ou seja, decorrente do uso
de florestas nativas, constituindo uma fonte não-renovável de energia (CCGE, 2010). Além
disso, grande parte do carvão vegetal é produzida de maneira rudimentar com baixo
rendimento energético. Por isso, foi aplicado um fator de substituição de 50% ao uso destes
combustíveis por etanol nos setores comercial e público.
No setor industrial, em muitos casos, o combustível é um requisito do processo atual e
não haveria potencial de substituição sem o desenvolvimento de um novo processo. Por
exemplo, o uso de carvão mineral e derivados, e de coque de petróleo em siderúrgicas, na
pelotização, na metalurgia, na fabricação de ferro-ligas e na indústria de cimento não foi
considerado como potencial, uma vez que, em grande parte, são requisitos de processo.
Assim, chega-se a um potencial de 16% (40.342 103 toneladas equivalentes de
petróleo) do total de energia consumida no país, para os quais ainda não há uma fonte
renovável de energia substituta e para os quais o etanol poderia ser utilizado em queimadores.
Isso seria maior do que o consumo somados de GLP e GN no país e corresponderia a
mais que 3 vezes o consumo atual de etanol no Brasil.
7
2 APLICAÇÕES DESENVOLVIDAS PARA QUEIMADORES A ETANOL
2.1 QUEIMADORES COMERCIALIZADOS
As principais aplicações de uso de etanol em queimadores atualmente são incipientes.
Uma das maiores vertentes hoje é o uso para cocção de alimentos, principalmente em países
africanos em substituição ao uso de querosene e de biomassa de origem não-renovável como
carvão vegetal e lenha.
Na Nigéria, um programa de utilização de etanol foi estabelecido para substituição de
querosene, GLP e lenha por etanol feito a partir da mandioca. Consiste no investimento de
US$ 1,0 bilhão para que 4 milhões de famílias possuam fogões a etanol. Para tanto, será
necessário investir em 10.000 refinarias de pequeno porte, distribuir 4 milhões de fogões a
etanol de uma e duas bocas à população e garantir o fornecimento de 8 milhões de toneladas
de mandioca produzidos em 400.000 hectares. (OHIMAIN, 2012)
Em Moçambique, a Clean Star (2012) verticalizou a cadeia de etanol para cocção de
alimentos, com a implantação de plantas de processamento de etanol a partir da mandioca
produzida por pequenos produtores, além de criar pontos de vendas de combustível e de
pequenos queimadores.
Na Etiópia, o Projeto Gaia (2012) tem fomentado a utilização de fogões a etanol, cuja
fabricação é realizada pela indústria sueca Dometic AB®. Cada queimador possui uma
potência máxima de 1,5 kW, o que é abaixo das potências usuais dos queimadores a GLP. Em
compensação a potência mínima é de 0,3 kW, apresentando uma maior modularidade.
Figura 2.1 - Fogão a etanol (DOMETIC, 2013)
8
Também em aplicações domésticas, queimadores a etanol para lareiras residenciais são
vendido por diversas empresas como Vauni® e Ecosmartfire®.
Figura 2.2 - Lareira a etanol (VAUNI, 2012)
Todos estes queimadores apresentam baixa potência e também podem ser
considerados de baixa tecnologia uma vez que não há dispositivo de alimentação e a chama é
alimentada por evaporação do combustível (pool fire).
2.2 SUBSTITUIÇÃO DE ÓLEO DIESEL POR ETANOL
Em uma das poucas aplicações industriais documentadas, Barroso et al. (2010)
versaram sobre as modificações de um queimador de uma caldeira a óleo diesel de 100 kW
para etanol. Uma das modificações foi no detector de chama, dispositivo que interrompe o
fornecimento de combustível em caso de apagamento da chama, uma vez que as chamas de
etanol são menos radiantes. Outra questão é a cavitação no fornecimento de combustível, que
exigiu a mudança da posição do tanque de combustível para uma altura superior. A conversão
de combustível exigiu também a conversão dos bicos injetores e alteração no suprimento de ar
para um mesmo calor gerado pela caldeira, uma vez que o etanol possui menor poder
calorífico e necessita de uma menor vazão de ar na combustão. Como esperado, as emissões
atmosféricas de NOX, SO2 e material particulado foram menores do que no queimador a
diesel. Entretanto, fora do esperado, houve um aumento de emissões de CO. Uma das
9
possíveis causas levantadas pelos autores é o maior tempo necessário para sua vaporização e
uma mistura mais lenta em relação ao óleo diesel, favorecendo uma combustão incompleta.
Asfar e Hamed (1998) testaram a queima de óleo diesel com até 20% de álcool (13%
isobutanol, 7% etanol) com intuito de se avaliar as emissões e o calor transferido à água de
arrefecimento do queimador. As emissões de NOX, MP e HC se reduziram significativamente
com adição de até 10% de álcool. Para adições maiores, as reduções não foram tão
significativas. Em relação ao calor transferido, as misturas com mais etanol apresentaram
maiores valores para uma mistura combustível-ar rica, apesar de possuir menor PCI. Isto se
deve ao fato do etanol diminuir as emissões de HC e MP não queimado, aumentando a
eficiência de queima do combustível. Para misturas de combustível-ar pobres, o calor
transferido pelas misturas com etanol foi menor devido à menor emissividade de chama e
menor PCI. Para misturas de combustível-ar excessivamente pobres, o calor transferido pelas
misturas com etanol voltou a ser maior, provavelmente devido a uma maior estabilidade de
chama.
Prieto-Fernandez et al. (1999) testaram a queima de óleo combustível leve com até
15% de etanol. O percentual de HC e MP nos gases de combustão apresentou-se menor com a
adição de etanol. Entretanto, as emissões de NOX foram maiores para concentrações de etanol
acima de 10%.
Pérez et al. (2006) fizeram uma comparação teórica da substituição de óleo diesel por
etanol na queima direta, levando em consideração propriedades químicas dos combustíveis,
emissões, comportamento de chama, atomização e corrosão, chegando às seguintes
conclusões:
“• É possível utilizar o mesmo atomizador de diesel para o álcool, com uma
considerável melhora na atomização e, por conseguinte na eficiência da combustão. É
importante observar que esta substituição só pode ser alcançada com uma regulação na
pressão de injeção de combustível.
• É possível utilizar a mesma câmara de combustão sem alterar a turbulência e o
tempo de residência dos gases na câmara, isso graças a que a temperatura e o volume dos
gases não apresentam variação significativa quando realizada a substituição dos
combustíveis.
• Com a queima de álcool etílico não se adiciona efetivamente dióxido de carbono
para a atmosfera, dado que a cana, matéria prima do etanol absorve as moléculas de CO2 do
ambiente. É esperada também uma redução dos poluentes: fuligem, e material particulado
em geral, CO, UHC e SO2.
10
• O sistema de lubrificação e de injeção de combustível deve ser modificado, visto que,
o etanol não apresenta a viscosidade suficiente para ser utilizado como lubrificante e para
ser bombeado pela bomba de combustível.
• Devem ser tomadas medidas de segurança para evitar perdas por evaporação e
risco de incêndios, principalmente nos tanques de estocagem.
• A ação corrosiva do etanol deve ser reduzida, seja pela adição de aditivos
inibidores, ou pela substituição de materiais por outros mais nobres que não sejam atacados
pelo álcool”
2.3 PESQUISAS COM QUEIMADORES CONVENCIONAIS A ETANOL
Outra vertente é a pesquisa básica sobre comportamento de chamas de etanol. Em
chamas laminares em escoamento não uniformes, Seiser et al. (2007) e Tanoue et al. (2011)
investigaram a autoignição e extinção de chamas de etanol. Medições de velocidade de chama
foram realizadas por Van Lipzig et al. (2011) e Konnov et al. (2011). Kasper et al. (2007) com
uso de espectrometria de massa e Marques et al. (2010) com medições de
quimioluminescência e fluorescência de NOX investigaram a estrutura de chamas atmosféricas
de etanol com foco em emissões.
Em chamas turbulentas, Breaux e Acharya (2013) analisaram a possibilidade de
utilização de etanol com proporções de até 40% de água em chamas com swirl. Sacomano
Filho (2011) analisou modelos CFD de chamas turbulentas em sprays comparando-os com
dados de laboratório.
2.4 PESQUISAS COM QUEIMADORES NÃO-CONVENCIONAIS
Ainda em estágio de desenvolvimento, há algumas aplicações para os quais o etanol
poderia apresentar grande viabilidade.
- Combustão em meios porosos: Fuse et al. (2005) estudaram a utilização de etanol e as
características de combustão e de autoignição em meios porosos.
11
- Combustão com água líquida: pelo fato do etanol ser solúvel em água, poderia se utilizar o
etanol para geração de vapor no próprio queimador não havendo a necessidade de
investimento em caldeiras. Yi e Axelbaum (2013) investigaram a estabilidade da combustão,
em um sistema em que água é misturada ao etanol e o vapor é gerado diretamente na chama.
- Combustão do etanol quando resíduo de processo: o etanol é um solvente utilizado em
indústrias de impressão, junto com outros compostos orgânicos e por isso é um efluente do
processo. Pelo fato das suas concentrações serem muito baixas, podem ser necessários
processos de combustão catalítica. Agustina Campesi et al. (2012) investigaram o processo de
combustão catalítica de etanol e acetato de etila com catalisadores de Manganês-Cobre. O
foco principal desta aplicação é destinar corretamente o resíduo e não transformá-lo em
energia.
- Combustão em micro-queimadores portáteis: o etanol, por ser um combustível com queima
mais limpa em relação a combustíveis fósseis líquidos, poderia ser utilizado em substituição a
baterias (que apresentam menor densidade de energia) em dispositivos elétricos com o uso de
placas termoelétricas. Behrens et al. (2010) investigou o processo de evaporação de gotas para
diversas temperaturas ambientes e o uso de diferentes catalisadores, para diferentes razões de
equivalência na combustão. Como resultado, obteve as taxas de conversão de etanol para CO2
e outros hidrocarbonetos.
- Combustão com glicerina: metanol, e em menores quantidades etanol, são utilizados na
fabricação de biodiesel por meio de uma reação de transesterificação. Entretanto, um co-
produto da reação é a glicerina, que possui elevadas concentrações (10-20%) de álcool. Em
vez de recuperar o álcool do resíduo, uma alternativa é empregá-lo para auxiliar na combustão
da glicerina, aumentando seu PCI. (BOHON et al., 2011)
- Célula de combustível a etanol: a princípio esta aplicação não seria uma combustão, mas sim
uma catálise do etanol em CO e H2. O Hidrogênio liberado seria então utilizado para gerar
uma corrente elétrica. O CO liberado poderia ser queimado para manter a célula de
combustível a temperatura adequada de funcionamento. A eficiência de uso do combustível
seria maior do que em um MCI e as emissões de poluentes seriam muito inferiores. O etanol
seria um combustível intermediário na cadeia, já que apresenta vantagens frente ao hidrogênio
na armazenagem e no transporte.
12
Pode se observar que as aplicações ainda são incipientes na combustão de etanol fora
do âmbito de motores de combustões internas, restrita a queimadores de pequeno porte, com
pouca tecnologia embarcada.
A maior parte das pesquisas se concentra na substituição de óleo diesel relevando
fatores econômicos ou a aplicações em pesquisa básica sem foco em aplicações comerciais.
Um dos intuitos deste trabalho é desenvolver uma aplicação comercial, poupando recursos
humanos e financeiros em pesquisa.
13
3 SELEÇÃO DA APLICAÇÃO
Neste capítulo, a intenção é selecionar qual a seria a aplicação mais viável para
utilização do etanol. Para tanto foi criada um metodologia de seleção com 3 perspectivas:
seleção do insumo energético pelo consumidor, seleção do equipamento pelo consumidor e
perspectiva do investidor.
3.1 SELEÇÃO DO INSUMO ENERGÉTICO PELO CONSUMIDOR - CLASSIFICAÇÃO
DOS COMBUSTÍVEIS
Na etapa de seleção do insumo energético pelo consumidor, inicialmente foi criada
uma classificação dos combustíveis para se conseguir compará-los. Esta classificação
contempla sete critérios: custo de insumo energético, emissões de GEE, investimento no
equipamento de queima, manutenção, facilidade de transporte, emissões de poluentes e riscos
associados ao custo.
3.1.1 Custo do insumo energético
Foi feito um levantamento de custos (metodologia detalhada no Apêndice B)
conforme pode ser observado na tabela 3.1. Para um consumidor residencial, observa-se que o
etanol é mais barato em uma base R$/MJ que a eletricidade, carvão vegetal e lenha. Para este
consumidor, na região Sudeste, o etanol também é mais barato que o GN.
Para um consumidor industrial/comercial, o etanol seria mais barato que a eletricidade
em todos os casos. Na região Sudeste, para o cliente comercial, o etanol também seria mais
barato que o GN.
14
Tabela 3.1 - Comparativo de custos de insumo energético
Preço (R$/MJ) Sudeste Sul Centro-
Oeste
Nordeste Norte
Etanol
0,093
0,102
0,100
0,119
0,130
GLP (P-13)
0,075
0,077
0,081
0,074
0,085
Diesel
0,078
0,077
0,083
0,078
0,085
Carvão Vegetal Industrial
0,014 - - - -
Carvão Vegetal Residencial
0,117 - - - -
Lenha Industrial
0,005 - - - -
Lenha Residencial
0,175 - - - -
GN Industrial (309.279 Nm3/mês)
0,048
0,045
0,042
0,039 -
GN Industrial baixa (1.000 Nm3/mês)
0,067
0,073
0,063
0,056 -
GN Comercial (835 Nm3/mês)
0,102
0,070
0,066
0,064 -
GN Residencial (13,6 Nm3/mês)
0,115
0,089
0,077
0,075 -
Eletricidade Industrial
0,158
0,153
0,152
0,126
0,114
Eletricidade Comercial
0,169
0,180
0,174
0,161
0,162
Eletricidade Residencial
0,179
0,183
0,179
0,152
0,154
Além disso, parte dos combustíveis tem restrições de uso e venda, algumas citadas
abaixo:
GLP: para alguns tipos de aplicações conforme resolução 15 da ANP (2005) é proibida a
utilização de GLP em:
- motores de qualquer espécie
- fins automotivos, exceto em empilhadeiras
- saunas
- caldeiras
- aquecimento de piscinas (exceto para fins medicinais)
15
GN: pela sua natureza, de ocupar um grande volume a baixas pressões, normalmente seu uso
se dá em consumidores conectados por tubulações. Caso não haja tubulação, o consumidor
fica impossibilitado de adquirir o produto, exceto grandes consumidores que poderiam
adquiri-lo na forma liquefeita.
Óleo diesel e óleo combustível: em alguns processos, o uso de combustíveis fósseis pode não
ser viável tecnicamente devido à geração de odores, o que impossibilita o contato direto dos
gases de combustão com os materiais do processo, por exemplo, em secadores de grãos.
Etanol: hoje não é possível a venda de etanol via Transportador Revendedor Retalhista (TRR)
(ANP, 2007), somente de diesel, lubrificantes e graxas. Isto dificulta a revenda de produto ao
consumidor final, uma vez que o TRR entrega o produto no estabelecimento do consumidor.
O consumidor pode adquiri-lo somente em postos de combustíveis ou diretamente do
distribuidor. Além disso, a venda do etanol hidratado no varejo convencional foi proibida com
teor alcoólico acima de 54º GL (% fração volumétrica), pela resolução 46 da ANVISA (2002)
(legalidade reconhecida em 2013), sendo permitida somente a venda na forma de gel acima
desta concentração. Por um lado, isto inibe a ingestão indevida do combustível ou
queimaduras por acidentes, mas por outro lado inibe a sua utilização como combustível.
3.1.2 Emissões de GEE (Gases de Efeito Estufa)
a) Emissões de CO2-equivalente para combustíveis fósseis
A queima de combustíveis de fósseis, por ser de origem não renovável, emite para a
atmosfera GEE como CO2, CH4 e N2O, cujos efeitos são de aquecer a atmosfera terrestre. Na
tabela abaixo, observam-se os potenciais de aquecimento global conforme o IPCC (2007) em
relação ao CO2 para um período de 100 anos.
Tabela 3.2 - Potencial de aquecimento global (IPCC, 2007)
Gases Potencial (ton-CO2
eq)
CH4 21
N2O 310
16
Em aplicações estacionárias, observam-se os seguintes valores de emissões na
combustão dos seguintes combustíveis fósseis. Esta planilha foi calculada conforme diretrizes
do IPCC (2006) para emissões diretas computando-se emissões de CH4 e N2O, e com
emissões indiretas providas pelo governo britânico (DEFRA; DECC, 2011).
Tabela 3.3 - Emissões por tipo de combustível
Combustíveis
Direta (ton-CO2 eq/TJ)
(IPCC, 2006)
Indireta (ton-CO2 eq/TJ)
(DEFRA; DECC, 2011).
Total (ton-CO2 eq/TJ)
GLP 63,872 8,000 71,872
Óleo Diesel 74,392 14,181 88,572
Gás Natural 56,731 5,544 62,275 Óleo Combustível 79,031 13,344 92,375
b) Emissões para combustíveis de biomassa
Os combustíveis renováveis também contribuem com emissões de gases de efeito
estufa seja na plantação pela utilização de fertilizantes, de máquinas agrícolas impulsionadas a
diesel e pela derrubada de vegetação original, seja na sua produção como a emissão de
metano nas lagoas de vinhaça de usinas de cana-de-açúcar ou mesmo no seu transporte pela
utilização de combustíveis fósseis como diesel.
No caso do etanol, na tabela 3.4 abaixo, pode se observar a emissão na cadeia do ciclo
de combustível (emissões indiretas). Neste caso, foram contempladas emissões na plantação,
fabricação e transporte de etanol em relação aos principais gases de efeito estufa (CO2, CH4 e
N2O). Para combustão, foi adicionada a emissão de CH4 e N2O, conforme IPCC (2006) para
combustão em aplicações estacionárias, não considerada no estudo de Pereira (2008). Macedo
(2004) e Ometto (2005) também realizaram estudos de emissões de CO2 chegando a valores
de 0,248 (kg-CO2 eq/litro) e 0,120 (kg-CO2 eq/litro), respectivamente. Como as plantações
correspondem à maior parte das emissões e não é escopo analisar as diferenças de cálculo
entre os estudos, foi utilizado, por segurança, o maior valor encontrado.
17
Tabela 3.4 - Emissões para o etanol hidratado em CO2 equivalente
Combustíveis Dados Fontes
Etanol (kg-CO2 eq/l) 0,280 Pereira (2008)
Densidade (kg/l) 0,809 BEN (2015)
PCI (MJ/kg) 26,3 BEN (2015)
Total (ton-CO2 eq /TJ) 13,143 calculado
(ton-CO2 eq/TJ) CH4 0,060 IPCC (2006)
(ton-CO2 eq/TJ) N2O 0, 179 IPCC (2006)
Total (ton-CO2 eq/TJ) 13,382 calculado
No caso do carvão vegetal, sua produção a partir de florestas plantadas, em áreas
degradadas, sequestra mais carbono do que emite, com valores que variam de 37,033 a
148,133 ton-CO2 eq/TJ de sequestro de carbono (BAILIS et al., 2013; ROUSSET et al.,
2011). Entretanto, quando computadas as emissões da derrubada de florestas, a análise
dependerá qual era a vegetação original, a tecnologia de produção do carvão vegetal, como a
terra seria utilizada após o corte da vegetação original e o horizonte de tempo de análise. Em
savanas no Quênia, Bailis (2009) demonstrou que o balanço de CO2 poderia ser positivo, ou
seja, há mais sequestro de CO2 do que emissões, caso a área seja utilizada para produção de
carvão de reflorestamento, após a derrubada da vegetação original.
No Brasil, não há nenhum estudo analisando-se as emissões de lenha e carvão vegetal
conforme as variáveis no caso de produção a partir de derrubada de vegetação original, apesar
da mudança de uso da terra e a derrubada de florestas serem a maior fonte de emissões de
CO2 no Brasil, respondendo por 77,8% do total (MCT, 2010). Isto se deve ao fato que a
produção do carvão vegetal e lenha por desmatamento é uma atividade econômica secundária,
decorrente do objetivo principal que é liberar áreas para a pecuária (MARGULIS, 2003) e,
por isso normalmente não se relaciona o combustível com as emissões decorrentes do uso da
vegetação original. Uma estimativa de Uhlig et al. (2008) é que a área desmatada para
produzir 1,3 milhões de toneladas de carvão vegetal de mata nativa, 245 mil ha, em 2005, seja
responsável pela emissão de 72 milhões de toneladas de gás carbônico. Convertendo os
valores, as emissões seriam de 2.051,069 ton-CO2 eq/TJ.
Segundo Sjolie (2012), as emissões de CO2 por tonelada de carvão vegetal produzido
na Tanzânia de maneira não renovável são de 665 kg-CO2 eq/MWh, o que equivale a dizer
que a emissão de CO2 é de 184,722 ton-CO2 eq/TJ. Pode-se observar, desta maneira, que os
fatores de emissão do carvão vegetal possuem uma grande variação, dependendo das
hipóteses estabelecidas.
18
Em virtude destas discrepâncias de valores e do fato da produção de lenha e de carvão
vegetal ser decorrente da expansão agrícola, será utilizado o valor recomendado pelo IPCC
(2006), para combustão de biomassa em fontes estacionárias. Este valor é a favor da
segurança, uma vez que apresenta a menor diferença em relação ao etanol, uma vez que se
desconsideram emissões indiretas e derrubada de vegetação nativa.
Tabela 3.5 - Emissões por tipo de combustível produzido a partir de biomassa não renovável (IPCC,
2006)
Combustíveis ton-CO2 eq/TJ Lenha 119,540
Carvão Vegetal 116,510
Quando considerada as emissões para carvão vegetal e lenha produzidos a partir de
biomassa renovável em áreas degradadas, o balanço de GEE utilizado é igual a zero, ou seja,
considera-se que não há sequestro ou emissões de GEE.
c) Fatores de emissão para eletricidade
O fator de emissão de inventário corporativo computa as emissões atuais na
transformação de eletricidade, enquanto o fator de emissão de MDL (Mecanismo de
Desenvolvimento Limpo), utilizado em projeto de créditos de carbono, é calculado pelo
incremental de eletricidade adicionada à rede. O fato do fator de MDL ser maior é porque, à
matriz de eletricidade, tem sido adicionada cada vez mais eletricidade de origem não-
renovável. No estudo, foi utilizado o valor do inventário corporativo, uma vez que é
considerado o estado atual. Os seus fatores de emissão podem ser observados abaixo:
Tabela 3.6 - Emissões para a eletricidade (MCT, 2011)
Inventário corporativo MDL
Eletricidade (kg-CO2 eq/kWh) 0,0292 0,1056
Eletricidade (ton-CO2 eq/TJ) 8,111 29,333
d) Análise comparativa de emissões de GEE por base energética
Quando analisados comparativamente os impactos de emissões de GEE por base
energética, observa-se que os combustíveis de biomassa renovável possuem as menores
emissões, seguidos pelo etanol, eletricidade, gás natural, derivados de petróleo em ordem
19
crescente de carbonos, carvão mineral e por último os combustíveis de biomassa de origem
não-renovável.
e) Considerações sobre o impacto por setor
Os dados do BEN (2015) de consumos de energia por tipo de combustível e setor
foram cruzados com os dados de fatores de emissão dos combustíveis. Com isso, consegue-se
analisar quais são as maiores reduções de GEE (gases de efeito estufa) para os setores e
combustíveis quando substituídos por etanol (maiores detalhes no Apêndice A). Os setores
energéticos e de transporte estão parcialmente considerados como emissões indiretas dos
combustíveis. Na tabela 3.7, pode se visualizar o impacto do etanol por setor.
20
Tabela 3.7 - Reduções de emissões de combustíveis na substituição por etanol em queimadores (103 ton-CO2 eq)
Setores Álcool etílico
Carvão vapor
Carvão vegetal
Coque de
carvão mineral Eletricidade
Gás de cidade
Gás natural Gasolina GLP
Agropecuário - - 18 - - - - - 6
Comercial - - 197 - - - 366 - 1.083
Industrial - 2.553 67 - - - 19.875 - 2.745
Público - - - - - - 81 - 630
Residencial - - 898 - 1.895 - 634 - 16.004
Transportes - - - - - - - - -
Energético - - - - - - - - -
Total Geral - 2.553 1.180 - 1.895 - 20.957 - 20.468
Setores Lenha Óleo
combustível Óleo diesel
Outras de
carvão mineral
Outras primárias
renováveis
Outras secundárias de petróleo
Outros produtos da cana Querosene
Total Geral
Agropecuário 5.960 80 - - - - - - 6.062
Comercial 216 74 21 - - - - - 1.957
Industrial 13.493 8.549 3.804 - - 10.558 - 3 61.646
Público - 35 13 - - - - - 760
Residencial 11.865 - - - - - - 9 31.306
Transportes - - - - - - - - -
Energético - - - - - - - - -
Total Geral 31.533 8.737 3.838 - - 10.558 - 12 101.731
21
Observa-se que, do ponto de vista de possíveis aplicações de etanol em queimadores e
de reduções de emissões de CO2, as substituições de combustíveis com maiores impactos são
as abaixo. Caso o Brasil queira desenvolver uma política energética renovável com base no
etanol, essas deveriam ser os principais focos.
- setor agropecuário: lenha de biomassa não renovável
- setor residencial: lenha de biomassa não renovável e GLP
- setor industrial: GN e derivados de petróleo
Para substituição de lenha não renovável para uso agropecuário, o modelo de venda e
distribuição de etanol deveria ser revisto, uma vez que a venda de lenha em grande parte das
vezes não possui intermediários, comprando-se diretamente do produtor de lenha. O etanol,
apesar de muitas vezes estar localizado muito próximo do produtor, deve ser vendido ao
distribuidor e posteriormente ao revendedor, adicionando-se dois intermediários a mais na
cadeia do produto. Além disso, hoje não é possível a venda de etanol via Transportador
Revendedor Retalhista, somente de diesel. Isto dificulta a revenda de produto ao consumidor
final, uma vez que o TRR chega a lugares de difícil acesso.
Para substituição de GLP para uso residencial, seria necessário garantir uma tributação
com iguais incentivos para o etanol e GLP, o que atualmente não existe.
Para substituição do GN e derivados de petróleo na indústria, a substituição por etanol
é mais difícil devido ao custo maior do etanol nestes casos.
3.1.3 Características dos equipamentos e combustíveis
a) Combustíveis e aspectos dos sistemas de combustão
Os combustíveis, conforme seu estado físico (sólido, líquido, gasoso) requerem
diferentes tipos de soluções para sua combustão. Estas soluções têm impactos no custo e no
investimento.
Usando como referência o trabalho de Kermes et al. (2008), foi elaborada a tabela
abaixo. Pode-se observar que os combustíveis líquidos como o etanol apresentam como
grande vantagem a facilidade de armazenagem e de transporte (um dos principais motivos por
22
serem utilizados em MCI e aplicações não-estacionárias) e como maior desvantagem os
sistemas de alimentação e variação de potência mais complexos.
Tabela 3.8 - Considerações de combustíveis gasosos, líquidos e sólidos
Combustíveis Sistemas de alimentação Armazenamento/Transporte Variação de potência
Gasosos Não é necessário já que o gás normalmente já está pressurizado
Botijões a alta pressão ou sistemas de dutos em alta pressão
Controle de válvula de alimentação
Líquidos
Alimentação via sistemas de bombeamento e atomização. Pode ser necessário o pré-aquecimento da mistura
Recipientes sem grande especificação técnica
Válvula solenóide para sistemas atomizados
Sólidos Alimentação manual ou via esteira
Não necessita de recipientes. Manuseio por lote. Maior área de armazenagem
Adição de combustível na grelha
Nota: Sistema de combustão de sólidos em grelha. Para combustão em sistemas com sólidos em suspensão ou em leito fluidizado, são adicionadas complexidades aos sistemas de combustão de sólidos.
Estes sistemas mais complexos para líquidos têm um impacto no investimento
necessário para o equipamento. A ignição também é mais difícil em relação a combustíveis
gasosos, uma vez que o líquido precisa ser vaporizado ou atomizado.
Outro fator importante é a maior dificuldade da capacidade do equipamento variar a
sua potência quando com um combustível líquido, em relação a combustíveis gasosos
(queimadores).
Todas essas características têm um impacto significativo no desenvolvimento do
queimador pela sua maior dificuldade de projeto, o que impacta no investimento necessário
para o produto. Pela maior presença de partes móveis e equipamentos mais complexos, os
custos de manutenção também são impactados.
b) Características gerais dos combustíveis líquidos
Segundo Bizzo (2013), os combustíveis líquidos apresentam as seguintes
características importantes para sua combustão:
Ponto de fulgor: é a temperatura do combustível na qual, sob a ação de uma chama
escorvadora sobre a sua superfície líquida, ocorre uma ignição e combustão transitória.
Temperatura de autoignição: temperatura mínima de uma mistura ar/combustível na qual a
combustão é iniciada e se mantém sem a presença de uma chama escorvadora.
23
Viscosidade: importante propriedade que vai determinar as temperaturas de armazenamento,
bombeamento econômico e pulverização (atomização) para combustão.
Outras características importantes que possuem um grande impacto para a utilização
do etanol, principalmente por serem diferentes em relação aos outros combustíveis, são:
Calor latente de vaporização: energia necessária para vaporizar certa quantidade de líquido a
uma dada temperatura.
Teor de água: quantidade de água presente no combustível.
Razão ar/combustível estequiométrica: quantidade de ar necessária em unidades de massa
para se realizar a combustão estequiométrica em relação à massa de combustível.
Temperatura de ebulição: faixa de temperatura em que ocorre a mudança de fase de líquido
para gás a uma dada pressão. Para substâncias puras ou que se comportam como puras, como
o etanol, a temperatura de ebulição é fixa.
Limites de inflamabilidade: faixa da quantidade de combustível em uma mistura gasosa ar-
combustível necessária para que ocorra a ignição da mistura para uma dada temperatura e
pressão
Abaixo, podem se observar algumas dessas características dos combustíveis.
24
Nota: Ponto de ignição é equivalente a ponto de fulgor
Figura 3.1 - Faixa de inflamabilidade (GARCIA, 2002)
c) Características de combustíveis gasosos
Caso o combustível já esteja vaporizado, segundo Bizzo (2013), outra característica
importante é:
Índice de Wobbe: relação entre PCI e a raiz quadrada da densidade relativa ao ar. Este
relaciona a quantidade de energia por volume que é possível passar por um orifício para uma
correspondente queda de pressão.
d) Comparativo de especificações técnicas
Com intuito de se comparar os combustíveis, foi criado abaixo um quadro
comparativo entre os combustíveis na tabela 3.9, relacionando-se as principais características
do combustível para sua seleção:
25
Tabela 3.9 - Características dos combustíveis
Características Unidades Etanol anidro
Etanol hidratado Querosene Óleo Diesel
Óleo Com-bustível GN GLP
Carvão Vegetal Lenha
Estado físico - líquido líquido líquido líquido líquido gasoso líquido e gasoso sólido sólido
Ponto de fulgor oC 13a 17b 41c 64a 80c -145e 2f - -
Temperatura de auto ignição oC 366a - 238d 230a 350i 482-632e 405f - -
Temperatura de ebulição (1 atm) oC 78,3c 78,2c 175-325m 188-343k - -161k
-42k
(Propano) - -
Viscosidade cinemática (20 oC) cSt (mm2/s) 1,52j - 2,71j
2-6j (37,8oC)
2,39-26,4j
(21,1oC) - - - -
Calor latente de vaporização (15,5 oC) kJ/kg 903c 991c 251j 233k - 506k
428k
(Propano) - -
Teor de água
INPM - % fração em
massa 0,8c 6,9c - - - - - - -
PCIg MJ/kg 28,2 26,3 43,5 42,2 40,1 36,8
(MJ/Nm3) 46,4 27,0 12,9
Densidadeg kg/m3 791 809 799 840 1.000 0,740 (20 oC, 1 atm)
552 (Botijão) 250 390
Razão ar/combustível estequiométrica - 9c 8,3c 15l 14,7k 13-15c 17,2k
15,7k (Propano) - -
Índice de Wobbe - - - - - - 48,2-53,2c 72,6-87,6c - -
Limite de inflamabilidade inferior (20oC, 1 atm) %, volume 3,3a - 0,7j 1k 0,7j 5,3k
2,2k (Propano) - -
Limite de inflamabilidade superior (20oC, 1 atm) %, volume 19a - 5j 6k 5j 15k
9,5k (Propano) - -
(a)Hansen et al. (2005); (b) INMETRO (2012); (c) Bizzo (2013); (d) Petrobrás (2011a); (e) Comgas (2012); (f) Liquigás (2011); (g) BEN (2012); (h) CETESB (2013); (i) Petrobrás (2011b); (j) Engineering toolbox (2013); (k) EERC (2013); (l) Flagaan (1988); (m) GESTIS (2013)
26
Em relação ao ponto de fulgor, o etanol é o combustível com menor valor frente aos
outros combustíveis líquidos utilizados em queimadores. Isto facilita a ignição do
combustível. Ao mesmo tempo, apresenta o maior calor latente de vaporização, o que impacta
negativamente na facilidade de combustão. A temperatura de autoignição do etanol é maior
frente aos outros combustíveis líquidos, o que aumenta a segurança de utilização, mas
também impacta negativamente a continuidade da combustão.
Em relação à viscosidade cinemática, o etanol apresenta o menor valor frente aos
outros combustíveis líquidos, característica que facilita a atomização do combustível. O etanol
também necessita de uma menor vazão de ar estequiométrica para sua combustão, o que
facilita a combustão completa em chamas sem pré-misturas.
Em relação à temperatura de ebulição, o etanol, por apresentar uma temperatura
constante, tende a vaporizar uniformemente as gotas em relação a outros combustíveis
líquidos, o que proporciona uma combustão mais eficiente e também facilita a sua utilização
como combustível na fase gasosa.
O teor de água é a principal diferença entre o etanol anidro e etanol hidratado frente
aos outros combustíveis, tendo impacto na solubilidade em outros combustíveis ou em
propriedades como ponto de fulgor e calor latente de vaporização. Além disso, é uma das
principais causas de adulteração deste combustível, já que adição de água é simples de ser
executada. Outro fator é que a água possui poder corrosivo, necessitando em alguns casos a
utilização de materiais mais resistentes à corrosão.
As faixas de inflamabilidade do etanol são mais amplas em relação aos outros
combustíveis líquidos, o que facilita sua ignição quando vaporizado.
3.1.4 Emissões de NOX, SOX, CO, hidrocarbonetos e material particulado
Outro fator relevante para a seleção do combustível é quantidade de substâncias
emitidas durante a combustão do combustível. Atualmente, com o uso de tecnologias de
mitigação de impactos de emissões, qualquer combustível pode proporcionar uma queima
limpa. Porém, a adoção de tecnologias exige um investimento maior além de um custo maior
de manutenção. Em aplicações de pequeno porte, normalmente o papel de mitigação é restrito
ao próprio projeto do queimador e sua aplicação.
O poluente CO se forma em regiões com razão combustível/ar elevadas, em que não
há oxigênio suficiente para combustão estequiométrica sendo maior na queima de
27
combustíveis sólidos e líquidos. O etanol por já apresentar na sua molécula o oxigênio
necessita de menos ar na sua combustão, apresentando normalmente níveis mais baixos de
emissões de CO para uma mesma quantidade de energia.
As emissões de NOX estão principalmente relacionadas ao teor de nitrogênio no
combustível (NO fuel) e as temperaturas elevadas na câmara de combustão, necessárias para
reação entre o N2 e o O2 (NO térmico), apesar de haver outros mecanismos em chamas pré-
misturadas como NO prompt e N2O-intermediário. Normalmente, as emissões de NOX
atingem um pico em uma faixa com pequeno excesso de ar, caindo posteriormente com
grande excesso de ar, devido à queda da temperatura da combustão. Abaixo se observa um
exemplo de emissões de CO e NOX.
Figura 3.2 - Emissões de CO e NOX (PINHEIRO; VALLE, 2013)
O etanol, apesar de possuir pouco nitrogênio na sua composição, devido à presença de
oxigênio na sua molécula, pode apresentar a tendência de apresentar maiores emissões de
NOX. Ao mesmo tempo, por apresentar temperatura de chama adiabática inferior ao dos
outros combustíveis fósseis (GLAUDE et al., 2010) como se vê na figura baixo (com exceção
ao gás metano) e por possuir água na sua composição (etanol hidratado), o que resfria a
chama, as emissões de NOX podem ser diminuídas.
28
Figura 3.3 - Temperatura de chama adiabática (GLAUDE et al., 2010)
Em relação aos combustíveis fósseis líquidos, a combustão de combustíveis gasosos
normalmente apresenta menores emissões de NOX pela facilidade de controle destas tanto no
projeto quanto na operação, evitando-se a formação de altas temperaturas no queimador.
(KERMES et al., 2008)
As emissões de hidrocarbonetos e material particulado estão relacionadas assim como
o CO a regiões onde não há oxigênio suficiente e ocorre a quebra de hidrocarbonetos em
partículas menores ou mesmo a vaporização dos constituintes do combustível sem ocorrer a
combustão. Dependendo do composto formado, pode haver a formação de odores. As
emissões de material particulado possuem o mesmo mecanismo de formação sendo
normalmente também maiores nos líquidos derivados de combustíveis fósseis e em
combustíveis sólidos. Além disso, as formações destes tendem a aumentar quanto menor for a
relação H/C do combustível.
As emissões de SO2 estão relacionadas ao teor de enxofre do combustível. Está
presente em combustíveis fósseis mais pesados, sendo praticamente inexistente no etanol ou
em combustíveis fósseis gasosos.
Abaixo, observa-se uma classificação das emissões por tipo de combustível elaborada
com base na discussão acima. Não é possível se estabelecer com precisão os combustíveis
com maiores emissões para cada caso, já que estes irão depender da tecnologia de queima e
do projeto do queimador, mas para fins comparativos a análise é válida.
29
Tabela 3.10 - Emissões comparativas por tipo de combustível
Combustíveis CO HC MP SOX NOX
Etanol 1 3 3 3 3
Diesel 4 6 4 6 4
Óleo Combustível
5 7 5 7 5
GN 2 1 1 1 1
GLP 3 2 2 2 2
Carvão Vegetal 6 4 6 4 6
Lenha 7 5 7 5 7
Nota: quanto menor o número, menor a emissão
Em comparação com outros combustíveis, o etanol é o combustível que apresenta
emissões somente superiores aos combustíveis gasosos como GLP e GN.
Como já foi visto no Capítulo 1, é muito significativa ainda no Brasil a combustão de
lenha e carvão vegetal em aplicações residenciais e industriais. Estima-se que 1,6 milhões de
mortes ocorram anualmente no mundo somente devido à poluição pela queima de
combustíveis sólidos para a cocção de alimentos e geração de calor (WHO, 2002). O etanol
pode ser visto como uma fonte de substituição das aplicações atuais de uso da lenha de
maneira segura e renovável. (OHIMAIN, 2012)
3.1.5 Utilização de etanol e riscos econômicos associados
Atualmente, a produção do etanol é voltada basicamente para o atendimento da
demanda de utilização em MCI.
A matéria-prima básica para produção do etanol no Brasil é a cana-de-açúcar, que
pode ser direcionada para produção de açúcar conforme variação de preços, além de estar
sujeita a variações naturais de safra.
30
Tabela 3.11 - Produção de cana-de-açúcar (UDOP, 2013)
Nota: Previsão em 01/01/2013
Existem outras fontes como mandioca, milho e sorgo sacarino. Com o
desenvolvimento de plantas comerciais de etanol de 2ª geração, produzido a partir de celulose,
outras fontes como resíduos de plantações e madeira poderão ser utilizadas.
A produção e o consumo de etanol estão concentrados em poucos países como
podemos observar abaixo, dificultando uma maior estabilidade de preços, diferentemente de
derivados de petróleo.
Tabela 3.12 - Produção de etanol por país em 2009 (RFA, 2013)
País Milhões de litros
EUA 40.125
Brasil 24.900 União Europeia 3.935
China 2.050
Tailândia 1.647
Canadá 1.100
Outros 936
Índia 347
Colômbia 315
Austrália 215
Total 73.948
Diferentemente de outros combustíveis, a produção de etanol é concentrada durante o
período da safra. Isto ocasiona uma grande concentração de produção e consumo em certos
períodos do ano, exigindo maior capacidade de armazenamento por parte do governo e
produtores.
31
Figura 3.4 - Produção de etanol durante o ano (MME, 2013)
Devido ao grande uso em MCI, em motores flex, o principal combustível balizador de
preços do etanol hidratado é a gasolina, sendo que grande parte da produção está concentrada
em refinarias da Petrobrás. Além disso, o governo pode variar o percentual de etanol anidro
na gasolina entre 20 e 27%. Isto mostra que este mercado é altamente regulado e depende
fortemente de atuação do governo; a utilização de etanol em queimadores estaria fortemente
dependente da atuação do governo para estabilização e controle de preços, já que o
consumidor poderia ser impactado por outro mercado consumidor (MCI).
Abaixo, pode se observar um quadro resumo com as características da produção e
utilização do etanol produzido a partir da cana-de-açúcar.
Tabela 3.13 - Quadro comparativo de riscos para variação de preços do etanol e derivados de petróleo
Fatores Etanol Derivados de Petróleo
Dependência de fatores naturais no curto prazo
alta baixa
Existência de co-produtos concorrentes a partir da mesma matéria prima
açúcar, etanol anidro e etanol hidratado
vários
Concentração de países produtores alta baixa
Concentração de produção durante ano
alta baixa
Concentração de países consumidores
alta baixa
Uso em MCI alto alto
Uso em queimadores inexistente alto
O que se pode depreender é que o uso do etanol apresenta vários fatores para formação
de um mercado com grandes variações de preço e volumes de produção em comparação com
o mercado dos derivados de petróleo.
Deste modo, o crescimento da sua utilização em motores de combustão interna só foi
viabilizado devido ao uso de tecnologia de motores bi-combustível, com a qual foi permitido
ao consumidor escolher qual combustível utilizar.
32
Em relação aos combustíveis sólidos de biomassa, estes apresentam regionalmente
uma maior possibilidade de distorções de custos a curto e médio prazo, uma vez que o frete
possui participação maior no seu custo; a eventual falta de produção de biomassa em uma
determinada região implicaria mais facilmente em um aumento de custo.
O GN naturalmente também apresenta riscos de variações de preços no longo prazo
em virtude de ser transportado e consumido por dutos, diminuindo a capacidade do
consumidor de escolher outros fornecedores. Diminuindo o risco de utilização do GN,
apresenta-se o fato de poder ser substituído em muitos casos pelo GLP com poucas alterações,
o que diminui os riscos de sua utilização.
3.1.6 Classificação dos combustíveis
Com base nas análises realizadas, foram elaboradas as tabelas 3.14 e 3.15 abaixo com
a intenção de ranquear os combustíveis conforme critérios de utilização. Esta classificação
não deixa de ser arbitrária, uma vez que a seleção depende da tecnologia de queima e de
dados de consumo, mas serve como subsídio para estabelecer diretrizes para sua seleção.
Tabela 3.14 - Comparativo de fontes de energia – consumidor residencial
Custo do insumo
energético (it. 3.1.1)
Emissões de GEE
(it. 3.1.2)
Invest. no equipa-
mento de queima
(it. 3.1.3)
Manu-tenção
(it. 3.1.3)
Facilidade de trans-
porte (it. 3.1.3)
Emissões de
poluentes (it. 3.1.4)
Riscos associados ao custo (it. 3.1.5)
Etanol 4 2 5 4 2 4 6
Gás natural 3 3 4 2 6 2 5
GLP 1 4 3 3 4 3 3
Óleo diesel 2 5 6 5 3 5 1
Lenha/ carvão vegetal
5 6 1 6 5 6 4
Eletricidade 6 1 2 1 1 1 2
Nota: quanto menor o número, melhor a classificação. Os valores de investimentos para lenha e carvão vegetal são os que apresentam as maiores diferenças, uma vez que dependem muito do método de combustão. Além disso, as emissões de gases
de efeito estufa variam se for utilizada biomassa renovável ou não.
33
Tabela 3.15 - Comparativo de fontes de energia – consumidor industrial/comercial
Insumo energético
Custo de insumo
energético (it. 3.1.1)
Emissões de GEE
(it. 3.1.2)
Invest. no equipa-
mento de queima
(it. 3.1.3)
Manu-tenção
(it. 3.1.3)
Facilidade de trans-
porte (it. 3.1.3)
Emissões de
poluentes (it. 3.1.4)
Riscos associados ao custo (it. 3.1.5)
Etanol 5 2 5 4 2 4 6
Gás natural 2 3 4 2 6 2 5
GLP 4 4 3 3 4 3 3
Óleo diesel 3 5 6 5 3 5 1
Lenha/ carvão vegetal
1 6 1 6 5 6 4
Eletricidade 6 1 2 1 1 1 2
Nota: quanto menor o número, melhor a classificação
Resumem-se abaixo as principais considerações em relação à classificação:
- Custo do insumo energético:
O etanol é o segundo insumo mais caro, atrás apenas da eletricidade, quando se fala
em consumo industrial/comercial. Para aplicações residenciais, o etanol é mais barato que a
eletricidade, a lenha e o carvão vegetal.
- Emissões de GEE:
O etanol apresenta emissões inferiores aos outros insumos energéticos, exceto em
relação à eletricidade.
- Investimento no equipamento de queima:
O uso do etanol, na maior parte das vezes, exigiria um investimento maior no
equipamento de queima frente aos combustíveis gasosos e sólidos, uma vez que as
tecnologias de queima de combustível líquido não estão tão disseminadas. Combustíveis
líquidos fósseis exigiriam equipamentos para atomização e para mitigação de emissões ainda
mais sofisticados.
- Manutenção:
Os custos de manutenção e operação foram considerados proporcionais aos
equipamentos de queima, exceto no caso de combustíveis sólidos, que apresentam os maiores
custos de manutenção com menor investimento.
- Facilidade de transporte:
34
O etanol apresenta maior facilidade de transporte, não necessitando de botijão (GLP)
ou tubulação (GN). Combustíveis líquidos fósseis exigiriam maior cuidado no transporte e
armazenamento pela sua maior toxicidade.
- Emissões de poluentes:
O etanol apresenta emissões maiores que o GLP, GN e eletricidade, porém inferior a
outros combustíveis sólidos e líquidos.
- Riscos associados ao custo:
O etanol, devido ao fato de não possuir estoques reguladores na quantidade necessária;
ao fato da cana-de-açúcar também poder ser transformada em açúcar, e também ao fato do seu
preço ser controlado pela política de preços estabelecidos para a gasolina, este é o insumo
energético que apresenta a maior chance de bruscas variações de preços.
3.2 SELEÇÃO DO INSUMO ENERGÉTICO PELO CONSUMIDOR – ANÁLISE DAS
APLICAÇÕES
Nesta etapa, foram selecionadas aplicações com maior potencial de utilização pelo
consumidor, conforme tabelas 3.16 e 3.17 abaixo. Para tanto, foram elencadas diversas
utilizações de uso de combustíveis nos setores comercial, residencial e industrial. As
aplicações do segmento industrial analisadas foram limitadas à potência de 50 kW, para se
limitar os investimentos necessários para a construção do protótipo.
Para cada uma das aplicações, foram arbitrados pesos para os critérios de seleção de
combustíveis. Os pesos de cada um dos critérios de seleção foram baseados no consumo por
aparelho, potência e frequência de uso, além de características individuais dos produtos. Para
cada aplicação foi dada uma nota de 1-5, comparativamente aos outros combustíveis
utilizados, conforme a classificação elaborada para os combustíveis. Foram selecionadas
somente as aplicações com notas ponderadas iguais ou superiores a 3,0. No Apêndice C, há
uma explicação detalhada com notas e pesos utilizados.
35
Tabela 3.16 - Matriz de seleção para aplicação residencial
Principais insumos energéticos utilizados Critérios de seleção
Cluster Equipamento GLP GN eletri-cidade lenha
carvão vegetal
óleo diesel
Inves-timento
Manun-tenção GEE
Trans-porte Emissões Custo Riscos Peso
Ponde-ração
alta
pot
ênci
a e
alta
pe
netr
ação
forno x x x x x 15% 2 5% 3 5% 5 15% 5 10% 4 40% 2 10% 1 100% 2,75
fogão x x x x 20% 2 5% 3 5% 5 0% 0 10% 4 50% 2 10% 1 100% 2,30
cooktop x x x 20% 2 5% 2 5% 5 0% 0 10% 2 50% 2 10% 1 100% 2,05
aquec. de água tipo boiler x 20% 1 5% 1 5% 3 0% 0 5% 1 50% 4 15% 1 100% 2,60
aquecedor de passagem x x 20% 2 5% 2 5% 5 0% 0 5% 2 50% 1 15% 1 100% 1,50
chuveiro x 25% 1 5% 1 5% 3 0% 0 5% 1 45% 4 15% 1 100% 2,45
alta
pot
ênci
a e
baix
a pe
netr
ação
secadoras de roupas x x x 20% 2 5% 2 5% 5 0% 0 5% 2 50% 2 15% 1 100% 2,00
aquecedor de ambiente x 20% 1 5% 1 5% 3 15% 5 5% 1 40% 4 10% 1 100% 2,90
calefação x x x 20% 3 5% 3 5% 5 0% 0 5% 4 50% 1 15% 1 100% 1,85
piscina x x 20% 2 5% 2 5% 5 0% 0 5% 2 50% 2 15% 2 100% 2,15
banheiras x x x 20% 2 5% 2 10% 5 0% 0 10% 2 40% 2 15% 1 100% 2,15
sauna x x 20% 2 5% 2 10% 3 0% 0 10% 2 40% 2 15% 2 100% 2,10
piso radiante x x x 20% 2 5% 2 10% 3 0% 0 10% 2 40% 2 15% 1 100% 1,95
bio-
mas
sa
lareira x x x 15% 2 5% 3 15% 5 20% 5 15% 4 25% 2 5% 1 100% 3,35
churrasqueira x x x x 15% 2 5% 3 15% 5 20% 5 15% 4 25% 2 5% 1 100% 3,35
apli
caçõ
es p
ortá
teis
aquecedor de área externas x x 15% 2 5% 2 15% 5 20% 5 15% 2 25% 2 5% 1 100% 3,00
maçaricos x 25% 1 5% 2 5% 5 40% 5 5% 2 15% 3 5% 1 100% 3,20
isqueiros x 25% 2 5% 3 5% 5 40% 5 5% 2 15% 3 5% 1 100% 3,50
toalheiro x 15% 1 5% 1 15% 3 20% 5 15% 1 25% 4 5% 1 100% 2,85
tochas x x 20% 3 5% 3 5% 5 45% 5 5% 2 15% 1 5% 1 100% 3,55
fogão portátil x 20% 3 5% 3 5% 5 45% 5 5% 2 15% 3 5% 1 100% 3,85
36
Tabela 3.17 - Matriz de seleção para aplicação comercial/industrial/agropecuária
Principais insumos energéticos utilizados Critérios de seleção
Cluster Equipamento GLP GN eletri-cidade lenha
carvão vegetal
óleo diesel
Inves-timento
Manun-tenção GEE
Trans-porte Emissões Custo Riscos Peso
Ponde-ração
cocç
ão
forno diretos x x x x 15% 2 5% 3 5% 5 15% 5 5% 4 45% 1 10% 1 100% 2,20
fornos indiretos x x x x 15% 2 5% 3 5% 5 15% 5 5% 4 45% 1 10% 1 100% 2,20
forno de pizza x x x 15% 2 5% 3 5% 5 15% 5 5% 4 45% 1 10% 1 100% 2,20
fogão x x x x 15% 2 5% 3 5% 5 15% 5 5% 4 45% 1 10% 1 100% 2,20
frangueira x x 15% 2 5% 2 5% 5 15% 5 5% 2 45% 1 10% 1 100% 2,05
chapas quentes x x 15% 2 5% 2 5% 5 15% 5 5% 2 45% 1 10% 1 100% 2,05
lava
gem
de
ro
upas
secadoras de roupas x x 20% 2 5% 2 5% 5 0% 0 5% 2 50% 1 15% 1 100% 1,50
máquina de lavar x x 20% 2 5% 2 5% 5 0% 0 5% 2 50% 1 15% 1 100% 1,50
conf
orto
té
rmic
o calefação x x x 20% 2 5% 3 5% 5 0% 0 5% 2 50% 1 15% 1 100% 1,55 ciclo de absorção para refrigeração x x 20% 2 5% 2 5% 5 0% 0 5% 2 50% 1 15% 1 100% 1,50
laze
r piscinas x x 20% 2 5% 2 5% 5 0% 0 5% 2 50% 2 15% 2 100% 2,15
sauna x x 20% 2 5% 2 5% 5 0% 0 5% 2 50% 2 15% 2 100% 2,15
labo
r-at
ório
bico de bunsen x x 20% 2 5% 2 5% 5 40% 5 5% 2 20% 1 5% 1 100% 3,10
autoclave x x x 20% 2 5% 2 5% 5 30% 5 10% 2 25% 2 5% 1 100% 3,00
dive
rsos
se
tore
s central de água quente x x x 20% 2 5% 3 5% 5 0% 0 5% 4 50% 1 15% 1 100% 1,65
gerador de vapor x x x 20% 2 5% 3 5% 5 0% 0 5% 4 50% 1 15% 1 100% 1,65
maçaricos x 25% 1 5% 2 5% 5 40% 5 5% 2 15% 3 5% 1 100% 3,20
agro
pecu
ário
secadoras de grãos x x 20% 2 5% 3 5% 5 0% 0 5% 4 50% 1 15% 1 100% 1,65
torrefação de grãos x x 20% 2 5% 3 5% 5 0% 0 5% 4 50% 1 15% 1 100% 1,65
aquecimento de granjas x x x 20% 2 5% 3 5% 5 0% 0 5% 4 50% 1 15% 1 100% 1,65
estufas x x 20% 2 5% 3 5% 5 0% 0 5% 4 50% 1 15% 1 100% 1,65
37
As aplicações que apresentaram as melhores notas ponderadas conforme tabelas 3.16 e
3.17 foram as seguintes:
- aquecedor de áreas externas
- lareira
- churrasqueira
- isqueiros
- maçaricos residenciais/industriais
- fogão portátil
- tochas
- bico de bunsen
- autoclave
Estas aplicações apresentam altos pesos no critério de facilidade de transporte (15-
40%). Nestas aplicações, o custo do insumo energético não é o principal critério de seleção
(pesos de 15-25%). Deve se salientar que foram dados baixos pesos para o critério de
emissões de GEE (5-15%) para se minimizar o viés ambiental da análise, apesar de apresentar
as melhores notas para o etanol.
3.3 SELEÇÃO PELO INVESTIDOR
Não basta o atendimento dos critérios do consumidor para que a solução seja viável. É
necessário o atendimento também de critérios do ponto de vista do investidor. Para tanto,
foram criados os critérios: abrangência da solução, inovação e volume de mercado. No
Apêndice C, há uma explicação detalhada dos critérios e notas utilizadas.
Alguns critérios como margem obtida na venda do produto e investimentos
necessários não foram utilizados diretamente como critério, uma vez que em uma primeira
análise não se pode quantificá-los. Indo além, a inovação está relacionada com a margem e o
volume de mercado está relacionado com a diluição do investimento necessário.
Para estes atributos, mais importante que o peso, é possuir uma nota mínima, como
uma forma de mitigação de riscos para o desenvolvimento de projeto. A planilha com as
respectivas notas está no Apêndice D.
38
As soluções que apresentaram notas médias muito baixas (inferiores a 2,5) foram
excluídas da análise: as aplicações de autoclave, tochas e bico de bunsen. A lista final de
aplicações com maior viabilidade são as seguintes:
- aquecimento de áreas externas
- lareira
- churrasqueira
- isqueiros
- maçaricos industriais/residenciais
- fogão portátil
3.4 SELEÇÃO DO EQUIPAMENTO PELO CONSUMIDOR - ANÁLISE DAS
APLICAÇÕES
Para se determinar a solução com maior aplicabilidade do etanol, devem-se avaliar
com mais detalhes os equipamentos normalmente utilizados e não apenas os combustíveis
utilizados. Para tanto uma análise detalhada foi realizada para se tomar a decisão.
3.4.1 Aquecedor de áreas externas
Este tipo de queimador possui um uso eventual, principalmente em bares e
restaurantes, durante alguns meses. Em muitos casos os consumidores não compram o
produto, mas o alugam. Na maior parte das vezes, o insumo energético utilizado é o GLP.
Os modelos de aquecedor atuam acima da capacidade de vaporização do insumo
energético de GLP para botijão P-13, que é de 600 g-GLP/hora a 20 º C. O próprio aquecedor
aquece o botijão, permitindo a vaporização a taxas maiores.
A cada troca de botijão, o consumidor deve realizar o teste de estanqueidade na
tubulação. Cada equipamento necessita um botijão, que custa por volta de R$ 100,00.
Normalmente, deve-se possuir um botijão reserva para a troca em caso de esgotamento do
botijão.
39
O botijão duplica o peso do equipamento dificultando o seu transporte e aumenta o
espaço ocupado pelo produto, às vezes escasso em restaurantes e bares. A padronização do
botijão fixa a geometria da base, não permitindo o desenvolvimento de design diferente.
Em compensação, o botijão funciona como contrapeso evitando o tombamento do
equipamento. Abaixo um exemplo de aquecedor de ambientes.
Figura 3.5 - Aquecedor de ambientes (GENERAL HEATER, 2013)
Modelo: PH-PLUS-1800
Potência: 2,6 - 12,6 kW
Dimensões: 2.210 mm (altura), 530mm (diâmetro da base inferior) e 820 mm (diâmetro da
base superior)
Peso líquido: 22 kg
Peso com combustível: 15 kg (botijão vazio) + 13 kg (GLP) + 22 kg (equipamento) = 50kg
Queimador: Cerâmico (Infravermelho)
Consumo (Potência Máxima): 870 g-GLP/hora
Autonomia (Potência Máxima): 14,9 h
Combustível: GLP (botijão de 13 kg)
Ignição: Piezoelétrico com chama piloto
Controle: válvula (necessita esperar 5 minutos para girar o manípulo da posição piloto para a
potência máxima)
Dispositivo de segurança: Corta chama na falta de chama ou tombamento do produto
40
Valor: R$ 1.590
3.4.2 Lareira
O uso de lareira é muito pequeno no Brasil, sendo concentrado na região Sul e
Sudeste, devido a baixas temperaturas. Além disso, o uso é esporádico, utilizando-se algumas
vezes por ano, apresentando uma função mais estética do que de aquecimento. Entretanto,
quando utilizada, ela deve prover o aquecimento de maneira eficaz.
A pouca disponibilidade de lenha, principalmente em grandes cidades, pode dificultar
o seu uso. O uso de outros combustíveis é dificultado já que muitas vezes não se pensa em
uma tubulação para instalação de GLP ou GN. Tampouco, usa-se o GLP diretamente do
botijão por motivos estéticos.
Um fator de risco à segurança do consumidor é a qualidade da combustão da lenha,
que pode liberar quantidades razoáveis de CO em ambientes fechados. Caso a chaminé não
possua uma tiragem adequada, pode levar à intoxicação do consumidor. Outro fator é a
eventual projeção de faíscas, que podem levar à combustão objetos próximos.
Lareiras convencionais a lenha necessitam de alimentação constante, além de possuir
uma ignição lenta. O consumidor pode encarar isto como um fator positivo pela interação com
o equipamento. Um fator positivo da utilização de lenha é que, uma vez feita a obra civil, não
apresenta mais nenhum custo com queimadores.
Existem diversos modelos de lareira como:
- lareira a gás de pedras vulcânicas
- lareira a gás de falsos lenhos
- lareiras elétricas
- lareiras a etanol
Conforme já foi mostrado, existem vários modelos de lareiras a etanol portáteis.
Abaixo, observa-se um exemplo deste:
41
Figura 3.6 - Lareira a etanol (VAUNI, 2012)
Modelo: OF WIDE
Potência: 3 kW
Dimensões: 410 mm (largura) x 90 mm (altura) x 220 mm (profundidade)
Peso: 5,5 kg
Capacidade de combustível: 3 litros
Autonomia: > 5h
Ignição: Ignitor à pilha ou acendimento manual com fósforo ou vareta piezoelétrica.
Controle: Abafamento da chama
As lareiras a etanol apresentam como vantagem preponderante a facilidade de
instalação em qualquer local. Em relação às lareiras convencionais a lenha, apresentam
vantagens como praticidade no uso (facilidade de ignição) e segurança de utilização
(dependendo da área e ventilação do ambiente não é necessária a tiragem por chaminé), A
principal desvantagem em relação às lareiras a gás e lenha é a menor potência do
equipamento, normalmente inferior a 4 kW, já que as chamas se dão na superfície do etanol.
Uma lareira convencional a GN ou GLP pode apresentar potências maiores chegando a 20
kW.
42
3.4.3 Churrasqueira
As churrasqueiras mais comuns podem ser construídas com obras civis ou portáteis.
Normalmente se utiliza carvão vegetal como combustível, e em menor volume outros
combustíveis como GLP ou GN. As de GLP/GN podem utilizar queimadores infravermelhos
ou pedras vulcânicas para melhor cocção.
Os custos de operação normalmente são maiores para churrasqueiras a carvão, uma
vez que o carvão vegetal, em grandes cidades, devido à baixa oferta de pontos de venda, é
mais caro em uma base energética. Além disso, a combustão é muito menos eficiente devido à
dificuldade de regulagem e maior tempo para atingir a temperatura ideal.
No caso das churrasqueiras a GLP, os botijões utilizados são os de 5 kg, o que impacta
negativamente o preço do combustível. O botijão necessita estar aquecido, normalmente
embutido dentro da churrasqueira, para se conseguir potências maiores que 5,1 kW para
botijão P-5 e que 7,7 kW para botijão P-13.
Para o acendimento de churrasqueiras a carvão vegetal, é necessário um chama piloto,
gerada com mais variados produtos como papel, óleo vegetal e também etanol. O
acendimento de churrasqueiras a GLP/GN é feito por piezoelétrico ou fósforo.
Em ambientes comerciais, devido à necessidade de chama piloto, custo e emissões, há
preferência por se utilizar churrasqueiras a GLP/GN. Em ambientes residenciais, por motivos
culturais e pelo custo de investimento, o uso de carvão vegetal é muito utilizado. Em outros
países, o uso de GLP é mais freqüente. Abaixo alguns exemplos de churrasqueiras.
Figura 3.7 - Churrasqueira a gás - Britain (NAUTIKA, 2013)
Potência: 3,9 kW
43
Peso: 16 kg
Peso com combustível: 11 kg (botijão vazio P-5) + 5 kg (GLP) + 16 kg (equipamento) = 32
kg
Dimensões: 980 mm (altura) x 540 mm (largura) x 950 mm (profundidade)
Consumo (Potência Máxima): 300 g-GLP/hora
Autonomia (Potência Máxima): 43 h
Combustível: GLP (botijão a partir de P-5)
Queimador: com pedras vulcânicas
Ignição: Piezoelétrico
Valor: R$ 656
Figura 3.8 - Churrasqueira a gás (CHARBROIL, 2013)
Potência: 3,9 kW
Peso: 32 kg
Peso com combustível: 11 kg (botijão vazio P-5) + 5 kg (GLP) + 32 kg (equipamento) = 48
kg
Dimensões: 1170 mm (altura) x 680 mm (largura) x 560 mm (profundidade)
Combustível: GLP (botijão a partir de P-5) / GN
Queimador: Infravermelho
Ignição: Piezoelétrico
Valor: R$ 3.499
44
Percebe-se que as churrasqueiras portáteis apresentam peso elevado, sendo em parte
devido ao combustível e ao botijão. Diferentemente das lareiras, aqui não existem modelos a
etanol.
3.4.4 Maçaricos
Aqui serão analisados maçaricos de pequeno porte e industriais. Os maçaricos de
pequeno porte utilizam normalmente butano/propano como combustível com preço variando
de R$ 30 a R$ 200. Normalmente são utilizados em aplicações culinárias.
Existem também maçaricos para uso comercial/industrial. Estes podem ser divididos
em duas categorias: baixa temperatura e alta temperatura (queima com oxigênio puro)
Os maçaricos de baixa temperatura utilizam gases como butano/propano, GLP e
MAPP (mistura de metilacetileno e propadieno) e são utilizados em processos de brasagem
para união de tubos de cobre e aço, podendo também ser utilizados para fins culinários.
Normalmente são mais portáteis, mas também há modelos que podem ser acoplados
diretamente ao botijão que custam a partir de R$ 30.
Figura 3.9 - Maçaricos de baixa temperatura (BENZOMATIC, 2013)
Modelo: TS7000, Benzomatic
Potência: 3,6 kW
Peso: 0,545 kg (aparelho) + 0,400 kg (combustível)
Dimensões: 275 mm (comprimento) x 90 mm (largura) x 30 mm (altura)
Autonomia: 1,7 h
Ignição: Piezoelétrico
Valor: R$ 254
45
Combustível: Cilindro de Gás MAPP (400g), R$ 32
Os maçaricos de alta temperatura utilizam gases como MAPP, Acetileno e GLP para
processos de corte e solda de metais, utilizando oxigênio puro na combustão para atingir
temperaturas mais altas. Necessitam de 2 botijões sendo um do oxigênio e um do
combustível. O maior peso dos aparelhos está concentrado nos 2 botijões. O uso do etanol
neste dispositivo eliminaria carregar um botijão, mas o de oxigênio deveria possuir uma
solução particular. O maçarico em si pode ser encontrado a partir das R$ 150, sendo
necessária a aquisição de outros dispositivos como mangueira, válvulas de controle, válvula
anti-retrocesso de chama e reguladores de gases.
Figura 3.10 - Componentes básicos de maçaricos de alta temperatura (HOW STUFF WORKS, 2008)
Observa-se que os combustíveis utilizados como acetileno, MAPP e, butano/propano
(vendidos separadamente) são combustíveis mais caros, além de necessitar aquisição em
pontos específicos.
3.4.5 Fogão Portátil
Normalmente apresentam de uma a duas bocas. Os meios energéticos que podem ser
utilizados são GLP, propano/butano, eletricidade ou etanol. Os custos normalmente são bem
46
baixos indo de R$ 50,00 a R$ 200,00. Apresentam baixa potência, inferiores a 3 kW por
queimador.
Como já foi visto, os modelos a etanol disponíveis no mercado são utilizados em
diferentes países da África em substituição a combustão de lenha e carvão vegetal. Além
disso, são muito utilizados em aplicações de camping sendo muitas vezes produzidos
artesanalmente. Apresentam baixa potência, pelo método de combustão utilizado, e
necessidade de ignição com fósforos.
Os fogões portáteis podem ser utilizados em feiras de rua, podendo também, serem
levados à mesa para preparo imediato.
3.4.6 Isqueiros
Os isqueiros descartáveis normalmente utilizam gás butano como combustível. Em
isqueiros recarregáveis, o fluido de isqueiro normalmente é formado por derivados de nafta.
As propriedades do etanol são próximas aos fluidos de isqueiros produzidos pela
Ronson® e Zippo®, conforme pode se observar abaixo.
Tabela 3.18 - Propriedades de fluidos de isqueiro em comparação com etanol
Características Unidades Ronson (2000)
Zippo (2010) Etanol anidro
Ponto de fulgor oC 4 <23 13
Temperatura de auto ignição oC 230 n.d. 366
Temperatura de vaporização (1 atm) oC 100-155 >32 78,3
Limite Inferior de Inflamabilidade % 0,9 0,85 3,3
A chama em isqueiros recarregáveis se dá na superfície de um meio poroso e
alimentação da chama se dá por difusão e evaporação do fluido neste meio. A ignição é feita
por meio de uma roda de ignição que gera uma faísca entre um cristal e um metal. A sua
combustão produz um odor característico, o que diminui a sua aceitação no acendimento de
charutos e cachimbos.
Teoricamente, o etanol pode substituir com nenhuma ou pouca modificação os
isqueiros recarregáveis, trazendo benefícios como custo menor e diminuição de odor na
combustão. Para isqueiros descartáveis, a substituição é mais difícil devido ao uso do butano,
que é um gás na pressão e temperatura ambiente.
47
3.4.7 Seleção de melhor aplicação para o etanol
Diferentemente do item 3.2, cujo foco era na seleção do insumo energético, esta
seleção apresenta um foco no equipamento e as vantagens que o etanol poderia trazer para o
consumidor.
Para tanto, os critérios de seleção do insumo energético foram detalhados para que se
consiga diferenciar as vantagens e também foram criados outros critérios que poderiam
diferenciar os equipamentos e seus combustíveis. Com isso, obteve-se a seguinte lista de
critérios. No Apêndice C, estão descritos em detalhe os critérios utilizados.
- peso
- estética
- volume do aparelho
- operação de adição de insumo energético
- aquisição de insumo energético
- variação de potência
- consumo de insumo energético
- potência máxima
- geração de fuligem/odor
- segurança
- facilidade de limpeza
- facilidade de ignição
- investimento no equipamento
- facilidade de manutenção
- facilidade de instalação
Abaixo, na tabela 3.19, podem ser vistos em detalhes os comparativos entre os
combustíveis utilizados e aspectos importantes na seleção de cada equipamento pelo
consumidor, ressaltando as vantagens de cada insumo energético.
48 Continua
Tabela 3.19 - Comparativo de insumo energético por equipamento
Nota: “+”significa vantagem do respectivo insumo energético; quando “=” está marcado para ambos combustíveis, não há diferença significativa
Aquecedor de áreas externas etanol GLP P-13
peso +
estética +
volume do aparelho +
facilidade de adição de insumo energético = =
facilidade de aquisição de insumo energético +
variação de potência = =
consumo de insumo energético +
potência máxima +
geração de fuligem/odor = =
segurança = =
facilidade de limpeza = =
facilidade de ignição +
investimento no equipamento +
facilidade de manutenção = =
facilidade de instalação = =
Lareira etanol GLP/GN lenha
peso = = =
estética = = =
volume do aparelho = = =
facilidade de adição de insumo energético = =
facilidade de aquisição de insumo energético +
variação de potência = =
consumo de insumo energético +
potência máxima = =
geração de fuligem/odor = =
segurança = =
facilidade de limpeza = =
facilidade de ignição +
investimento no equipamento +
facilidade de manutenção +
facilidade de instalação +
49 Continuação
Tabela 3.19 - Comparativo de insumo energético por equipamento
Churrasqueira etanol GLP ( P-5) carvão vegetal
peso = =
estética +
volume do aparelho +
facilidade de adição de insumo energético = =
facilidade de aquisição de insumo energético +
variação de potência = =
consumo de insumo energético +
potência máxima = =
geração de fuligem/odor = =
segurança = =
facilidade de limpeza = =
facilidade de ignição +
investimento no equipamento +
facilidade de manutenção +
facilidade de instalação +
Maçarico etanol GLP (P-2 e
P-5) butano
peso +
estética +
volume do aparelho +
facilidade de adição de insumo energético +
facilidade de aquisição de insumo energético = =
variação de potência = = =
consumo de insumo energético +
potência máxima = = =
geração de fuligem/odor = = =
segurança = = =
facilidade de limpeza +
facilidade de ignição + +
investimento no equipamento + +
facilidade de manutenção +
facilidade de instalação + +
50 Continuação
Tabela 3.19 - Comparativo de insumo energético por equipamento
Fogão portátil etanol GLP (P-2 e P-
5) butano
peso = =
estética = =
volume do aparelho = =
facilidade de adição de insumo energético = =
facilidade de aquisição de insumo energético +
variação de potência = = =
consumo de insumo energético +
potência máxima = = =
geração de fuligem/odor = = =
segurança = = =
facilidade de limpeza = = =
facilidade de ignição + +
investimento no equipamento +
facilidade de manutenção = = =
facilidade de instalação = = =
Isqueiro etanol fluido de isqueiro butano
peso +
estética = = =
volume do aparelho = = =
facilidade de adição de insumo energético = =
facilidade de aquisição de insumo energético +
variação de potência +
consumo de insumo energético +
potência máxima = = =
geração de fuligem/odor = =
segurança = = =
facilidade de limpeza = = =
facilidade de ignição + +
investimento no equipamento = = =
facilidade de manutenção = = =
facilidade de instalação = = =
51
Pode-se observar que as aplicações que apresentam diferenças significativas do etanol
frente aos outros combustíveis em mais de 2 critérios estabelecidos são as abaixo.
- Aquecedor de áreas externas
- Churrasqueira
- Fogão portátil
As aplicações que apresentam diferenças significativas do etanol em até 2 critérios são
as seguintes:
- Isqueiro
- Lareira
A aplicação, que apresenta clara desvantagem do etanol pelas diferenças significativas
dos outros combustíveis frente ao etanol, é a seguinte:
- Maçarico
Desta maneira, pode-se dizer que as aplicações com maior viabilidade para uso do
etanol são aquecedor de áreas externas, churrasqueira e fogão portátil. Utilizando-se os
critérios de seleção pelo investidor como critério de desempate, verifica-se que a
churrasqueira apresenta claramente um volume maior de mercado em relação às duas
soluções. Além disso, no critério inovação, o fogão portátil apresenta uma clara desvantagem
por já existir uma solução com etanol para este mercado. Por este motivo, a aplicação
selecionada para utilização do etanol é a churrasqueira.
Tabela 3.20 - Comparativo entre as soluções com critérios do investidor
Critérios de seleção do investidor
Abrangência da solução Inovação Volume
equipamento\pesos 33% 33% 33% Ponderação aquecimento de áreas externas 3 4 2 3,00
churrasqueira 3 4 3 3,33
fogão portátil 4 2 2 2,67
52
O etanol conseguirá impactar o equipamento na estética e volume (configurações mais
compactas poderão ser construídas, prescindindo de espaço para queima para carvão e do
botijão de GLP), na facilidade de compra de combustível (GLP e carvão devem ser
comprados em lojas específicas, ao contrário do etanol que pode ser comprado em qualquer
posto de combustível), na adição de combustível (não necessita de troca de botijão ou de
despejo de carvão), consumo de combustível (etanol é mais barato do que o carvão vegetal
para consumidor final ou do que o GLP em botijões pequenos) e potência máxima (a potência
do GLP é limitada pela capacidade de evaporação do combustível e o carvão apresenta um
atraso até conseguir a máxima potência).
3.5 CONSIDERAÇÕES SOBRE APLICAÇÕES ACIMA DE 50 kW
Apesar de não serem o foco do trabalho, possíveis soluções com potências acima de
50 kW foram analisadas.
No âmbito industrial, exceto em algumas aplicações modulares como caldeiras, o
projeto do queimador possui uma relação muito grande com o processo. Em algumas
aplicações industriais específicas, os queimadores a etanol poderiam ser utilizados,
principalmente nas indústrias que são grandes consumidoras ou fabricantes de etanol. Nestas
aplicações, o etanol poderia apresentar um custo inferior a de outras formas de energia devido
ao alto volume comprado ou custo de produção inferior a outros combustíveis, além de
apresentar riscos de uso do etanol já inerentes ao próprio negócio.
As principais indústrias nas quais o etanol poderia ser utilizado em queimadores são:
- Usinas de açúcar e álcool:
Há alguns processos em que não se pode utilizar vapor gerado pela própria usina
devido à baixa temperatura do mesmo ou a necessidade de uma troca de calor mais intensa.
Um processo é a fabricação de H2SO4 a partir do enxofre em fornos específicos. Para a partida
é necessária a utilização de combustível como óleo diesel ou gás, ou eletricidade para o pré-
aquecimento do forno (HERMAN DE GROOT, 1991). O etanol poderia ser um substituto
para este tipo de aplicação. Outra possível aplicação é na partida de caldeiras de bagaço de
cana.
- Fabricante de polímeros de etanol e indústrias de bioplástico:
53
Atualmente, a maior parte da indústria petroquímica utiliza gás natural como
combustível nos processos. A Braskem® atualmente vende polietileno produzido a partir de
eteno obtido a partir do etanol.
O processo de fabricação do etileno a partir do etanol é uma reação de desidratação da
molécula de etanol. Esta reação é endotérmica, utilizando um vapor de diluição para fornecer
calor ou fluido de aquecimento. Além disso, o etanol deve ser vaporizado antes da reação.
(DO CARMO et al., 2012).
Normalmente, utiliza-se vapor para aquecimento do reator, por meio da queima de gás
natural como combustível, diminuindo a sustentabilidade do processo.
- Indústrias de bebidas alcoólicas, alimentícia (fabricação de vinagres, solventes de aroma),
antissépticos, cosméticos, farmacêutica:
O etanol utilizado neste tipo de indústria é mais especificado que o etanol industrial ou
etanol carburante (EMBRAPA, 2013), devendo-se avaliar a sua viabilidade econômica. O
etanol poderia ser utilizado como combustível em secadores e para geração de vapor para
lavagem, pasteurização, cocção e destilação.
- Indústria de produtos de limpeza:
Esta indústria utiliza etanol industrial, que apresenta características e preços similares
ao etanol combustível, como pode se observar abaixo. Assim, o etanol poderia ser utilizado
como combustível em vários processos industriais.
Figura 3.11 - Preços do etanol hidratado por tipo - 01/2008 a 03/2013 (CEPEA, 2013)
54
- Indústria de tintas, solventes, vernizes, cloral (utilizado na produção DDT)
Este tipo de indústria, em muitos casos, já adquire grande quantidade de derivados de
petróleo utilizados na fabricação de seus produtos, podendo adquiri-los diretamente da
refinaria. Por isso, o etanol pode apresentar desvantagens de preço devido ao grande volume
de aquisições de derivados de petróleo.
- Indústrias próximas a dutos de etanol:
Empresas poderiam utilizar etanol transportado pelos dutos a serem construídos pela
Logum (2012) (Empresa formada por: Camargo Corrêa Construções e Participações (10%),
Coopersucar (20%), Raizen (20%), Odebrecht Transporte Participações (20%), Petrobrás
(20%) e Uniduto Logística (10%)). Apesar do foco do duto de etanol ser a sua exportação, os
valores provavelmente seriam competitivos em relação ao gás natural ou óleo diesel,
principalmente para os próprios associados.
55
4 PROJETO DA APLICAÇÃO
Para a produção do protótipo da churrasqueira a etanol, mostra-se necessária a seleção
de qual tipo de queimador será utilizado.
4.1 TIPOS DE QUEIMADORES
Basicamente, existem duas maneiras de queimar um combustível líquido: vaporização
do combustível ou pela pulverização (SAN JOSÉ ALONSO et. al., 2012).
Quando os fluidos são vaporizados, estes podem ser divididos em 3 grandes grupos,
conforme o modo de mistura do ar com o combustível (BIZZO, 2013):
- Queimadores com pré-mistura: nestes queimadores o combustível se mistura ao ar primário
antes da ocorrência da combustão, normalmente com o uso de Venturi que arrasta o ar.
Normalmente são utilizados em queimadores de pequeno porte pela grande possibilidade de
retorno de chama. Apresentam uma menor possibilidade de variação de potência.
- Queimadores com chama de difusão: nestes queimadores o ar secundário é arrastado pelo
combustível. Apresentam uma tendência de apagamento de chama antes que ela possa
carregar uma quantidade significativa de ar. Por isso, são utilizados estabilizadores de chama
ou recirculação que permitem o aquecimento da base da chama. São normalmente utilizados
em queimadores de pequeno porte.
- Queimadores com bicos de mistura: nestes queimadores o combustível e o ar são injetados
dentro da câmara de combustão. Neste tipo de queimador não há nenhuma possibilidade de
retorno da chama e são utilizados em queimadores de grande porte.
Quando é realizada a pulverização do combustível, esta pode ser feita de 3 formas
(BIZZO, 2013) (SAN JOSÉ ALONSO, 2012):
- Jato de pressão: nestes queimadores, são produzidas gotículas de combustível pela passagem
do combustível pressurizado em um pequeno orifício. Se o tamanho de gota tiver que ser
56
mantido, este queimador não possui grande flexibilidade. Pode ser empregado mais de um
jato para se aumentar a flexibilidade de potência. Outros métodos para se modular a potência
sem alterar o tamanho de gota são recircular o fluido ou ter um pulverizador com orifício
variável. Outro aspecto a ser considerado é a necessidade de filtro do combustível
dependendo do tamanho de gota necessário.
Figura 4.1 - Pulverizador de jato de pressão (BIZZO, 2013)
- Pulverizador de 2 fluidos: neste caso, o jato de combustível é cortado por fluido auxiliar. A
velocidade relativa dos fluidos é o que determina o tamanho das gotículas. A modulação de
potência é facilitada e é menos suscetível ao entupimento de filtros. Normalmente é utilizado
para líquidos de alta viscosidade como óleos combustíveis. O fluido auxiliar normalmente é ar
que pode estar a baixas pressões (0,5-1,0 bar), médias (0,5-1,5 bar) ou elevadas (> 1,5 bar). A
pressões elevadas, vapor também é utilizado. O uso de vapor é restrito a grandes instalações
onde ele esteja disponível. Pulverizadores a ar são mais comuns em instalações de pequeno
porte.
Figura 4.2 - Pulverizador a 2 fluidos (BIZZO, 2013)
57
- Copo rotativo: neste tipo de queimador, combustível é introduzido para o centro de um copo
que gira a 5.000 rpm. À medida que o combustível é arremessado para as paredes, é
pulverizado pela corrente de ar primário. São muito utilizados nas indústrias de cimento e cal,
para grandes potências.
Figura 4.3 - Copo rotativo (BIZZO, 2013)
Abaixo, observa-se a tabela 4.1 em que estão resumidas as principais características
dos queimadores aplicados a combustíveis líquidos:
58
Tabela 4.1 - Comparativo de queimadores de líquidos (SAN JOSÉ ALONSO, 2012)
Tipo de queimador Princípio
Pressão do combustível no bico (atm)
Máxima viscosidade no bico (mm2/s)
Variação de potência
Consumo de fluido (kg fluido/ kg comb.)
Pressão de fluido auxiliar (atm)
Energia requerida por kg comb.
Evaporação Térmico 0 6,2 Não Não Não >>0,05
Pulverização Injeção direta Pressão 14-20 50-59 1:1,2 Não Não 0,05
Injeção com retorno 20-30 1:3 >0,05
Fluido auxiliar
Vapor a alta pressão 0,5-12 75-118 1:6
0,1-0,15a 0,2-0,3b 0,5-10 0,1-0,15
Pressão de fluido auxiliar 20 50-59 1:10 0,03c 0,06d
Ar 1,5-6 Vapor 3-10 0,07
Ar a alta pressão 0,7-7 59-118 1:5 0,3 1,5-8 0,1-0,15
Ar a média pressão 0,1-1,5 50-118 1:5 0,4-0,5 0,5-1,5 0,08-0,1
Ar a baixa pressão 0,1-0,5 50-118 1:5
15-30% ar de comb. 0,5-1 0,08-0,15
Copo rotativo
Força centrífuga 0 59-118 1:4
10-15 ar de comb. 0,25-0,3 0,07
(a) para vapor a 7-10 atm; (b) para pressão de vapor abaixo de 7 atm; (c) com ar comprimido a 6 atm; (d) com vapor a 6-8 atm
Além destes modelos, há os queimadores porosos que podem ser utilizados para a
combustão de fluidos gasosos ou líquidos. Nestes queimadores, a combustão ocorre dentro de
um meio poroso e a vaporização do combustível líquido ocorre dentro do próprio queimador.
A principal aplicação atual é em queimadores infravermelhos, cuja transferência de calor se
dá em grande parte por radiação.
Figura 4.4 - Queimadores por radiação (BIZZO, 2013)
A grande vantagem é a maior estabilidade de chama, podendo-se variar a vazão de ar e
de combustível, modulando-se a potência. Além disso, os limites de inflamabilidade são
59
ampliados, a ignição é facilitada e as emissões de NOX e CO são diminuídas em virtude da
combustão mais homogênea. Este tipo de queimador é utilizado preferencialmente com pré-
mistura com poucas aplicações de chamas de difusão. (ABDUL MUJEEBU et al., 2009)
Algumas desvantagens do uso deste tipo de queimador são: os limites de temperatura
impostos pelo material utilizado como meio poroso, a pureza necessária no ar de admissão e
no combustível para se evitar o entupimento da superfície do queimador, o fato do queimador
poder ser danificado quando em contato com água ou outras substâncias, a possibilidade de
ocorrência de retorno de chama e a maior perda de carga no queimador, necessitando de
sistemas de alimentação de ar conforme o caso. (BAUKAL, 2000)
Outro tipo de queimador é o do tipo pool fire. É utilizado com combustível líquido,
sendo que a combustão ocorre na superfície do fluido. Como já foi visto, este tipo de
queimador é utilizado em lareiras e fogões portáteis a etanol, para baixas potências.
A queima do combustível neste tipo é dependente da razão de aspecto do queimador,
modo de troca de calor e pressão atmosférica. (TU et al, 2013)
Figura 4.5 - Pool fire e influência da razão de aspecto (TU et al., 2013)
Resumindo, as alternativas para combustão do etanol são as seguintes:
- vaporização e pressurização do etanol
- pulverização
60
- pool fire
- queimador poroso em combinação com as alternativas acima
4.2 SELEÇÃO DO QUEIMADOR
A princípio, o etanol poderia ser vaporizado e pressurizado, uma vez que,
diferentemente de combustíveis fósseis líquidos, o seu ponto de ebulição não varia. Para uma
aplicação portátil, para vaporização e pressurização do etanol seria consumida uma potência
de 340 W sem perdas para um queimador de 7,7 kW (Apêndice D). Além disso, seria
necessária a implementação de um sistema para vaporizar o combustível e controlar a
vaporização.
O queimador tipo pool-fire também não seria o mais adequado devido às baixas
potências obtidas.
Outra possibilidade é a pulverização. Um modelo de pulverizador necessitaria de no
mínimo 0,05 kWh/kg de combustível (vide tabela 4.1). Para uma potência de 7,7 kW, a
potência necessária para pressurizar o combustível seria de 53 W. Um sistema gravitacional
não conseguiria fornecer esta potência para pressurizar isoladamente, sendo necessária uma
bomba para se manter o sistema em funcionamento. Porém, seria 85% menor que a potência
para vaporizar o etanol. Além disso, não há necessidade de um sistema de controle como na
vaporização do combustível.
Por isso, o modelo de queimador escolhido foi o do tipo pulverizador. Deste tipo de
queimador foi utilizado o de injeção com retorno, uma vez que possibilita um maior controle
da pressão no bico pulverizador.
Para a solução escolhida (churrasqueira), há a necessidade de um queimador radiante
em conjunto para se conseguir altas taxas de transferência de calor ao alimento, cozinhando-o
de maneira adequada. O único tipo de queimador que se encaixa é um queimador poroso. Este
tipo de queimador é utilizado em algumas churrasqueiras tipo “frangueira” para se conseguir
uma alta taxa de transferência de calor por radiação.
61
4.3 QUEIMADORES POROSOS COM COMBUSTÃO DE LÍQUIDOS JÁ
DESENVOLVIDOS
O uso de queimadores porosos com combustíveis líquidos é incipiente, com poucos
estudos experimentais e numéricos já realizados, em comparação com combustíveis gasosos
(KAYAL e CHAKRAVARTY, 2006). O primeiro experimento documentado foi realizado
por Kaplan e Hall (1995), no qual foram testados diversos materiais porosos, utilizando
heptano e um queimador tipo pulverizador. Com uso de bico injetor automotivo, Hall e
Peroutka (1995) testaram o uso de metanol em um queimador poroso, não conseguindo
alcançar a vaporização e combustão completa do metanol, por causa do seu alto calor latente
de vaporização.
Figura 4.6 - Queimador poroso com pulverizador (KAPLAN; HALL, 1995)
Howell et al. (1996) realizaram experimentos que mostram os efeitos do meio poroso
em taxas de reação, limites de inflamabilidade e estabilização de chamas e discutiram
abordagens para se prever perfis de temperatura, concentração de espécies e eficiência
radiante. Comparando-se com estes resultados, foi desenvolvido por Martynenko et al. (1998)
o primeiro modelo numérico simplificado de combustão de líquidos em meios porosos.
Kayal e Chakravarty (2005; 2006; 2007) e Zhao e Xie (2008) desenvolveram modelos
numéricos mais sofisticados para simulação de combustão de líquidos em meios porosos.
62
Deve-se salientar que estes modelos foram desenvolvidos para experimentos específicos e
precisam de mais validações para outros experimentos.
Outro experimento físico foi desenvolvido por Vikaykant e Agrawal (2007) com
intuito de se diminuir as emissões de poluentes na combustão de querosene, na mesma linha
do trabalho de Kaplan e Hall (1995).
Com intuito de simplificar o processo de combustão, foi desenvolvido por Takami et
al. (1998) um processo de combustão em meio poroso em que o líquido é gotejado sobre o
meio poroso e não pulverizado. Deste modo não há necessidade de um sistema de alimentação
do combustível. Jugjai et al. (2002), Jugjai e Polmart (2003), e Jugjai e Phothiya (2007)
também desenvolveram combustão em meios porosos com alimentação de combustível por
gotejamento. Chegou-se a cogitar a utilização de alimentação de combustível por gotejamento
no presente trabalho, mas, devido à grande variação de temperatura a qual o sistema estaria
sujeito, que implicaria em uma grande variação de viscosidade do etanol e consequentemente
em uma grande variação de vazão de gotejamento, este sistema não foi utilizado.
Fuse et al. (2005), na mesma linha de retirar o pulverizador, desenvolveu um sistema
com um oscilador ultrassônico que pressuriza uma piscina de etanol, forçando a passagem
deste por um meio poroso.
A literatura apresenta poucos casos para aplicação prática de combustão de líquidos
em meios porosos, podendo ser citados os estudos de Trimis et al. (2013) e Brehmer et al.
(2013). No primeiro caso o foco é o desenvolvimento de um queimador industrial com pré-
vaporização do óleo diesel com alta modulação (2-23 kW de potência). No segundo, o foco é
o desenvolvimento de um queimador para calefação também com pré-vaporização do óleo e
alta modulação.
No Brasil, pode-se citar Dantas (2010), que realizou experimento de combustão de
glicerina com GLP em um queimador infravermelho comercial em proporções de até 25% em
vazão mássica, com combustão estável, atendendo limites de emissões de gases poluentes.
4.4 DESCRIÇÃO DA INSTALAÇÃO
a) Sistema de queima
Um aspecto relevante para combustão em meio porosos é referente à seleção de
materiais para a utilização. Inicialmente, foram utilizados queimadores de frangueiras pelo
63
seu baixo custo, construídos com material metálico e cerâmico. Outra questão avaliada foi a
capacidade dos queimadores de se aproximar do modelo de troca térmica das churrasqueiras a
carvão vegetal.
Para tanto, foi feita uma análise qualitativa utilizando GLP como combustível em
queimadores radiantes por meio de um protótipo do conceito elaborado pelo autor. Este
protótipo foi elaborado modificando uma “frangueira” modelo PRR-051N da PROGÁS® para
o conceito de uma churrasqueira convencional como pode se observar na figura 4.7 abaixo.
Figura 4.7 - Protótipo conceitual com GLP
A frangueira foi montada horizontalmente e seus 2 queimadores desmontados. Os 2
queimadores foram reposicionados na horizontal, obliquamente ao alimento para se evitar o
respingo de resíduos do alimento na sua superfície e para se aumentar a trocar por radiação. A
potência de cada queimador era de 2.250 kcal/h (2,617 kW). Foi avaliado qualitativamente
que esta potência era baixa (total de 5,2 kW), uma vez que o cozimento da carne foi
homogêneo, o que não é o ideal neste caso, como pode se observar na figura 4.8 abaixo.
64
Figura 4.8 - Cozimento do alimento no protótipo conceitual com GLP
Isso direcionou o projeto para o aumento de potência do projeto. A intenção foi
aumentar a taxa de troca de calor para se aproximar da churrasqueira a carvão (potência total
estimada de 10-20 kW). Com isso, foram escolhidos inicialmente 2 queimadores Jackwal® de
5.500 kcal/h cada (6,397 kW) para GLP.
Na configuração final, as placas cerâmicas dos queimadores Jackwal® foram
posicionadas sobre uma câmara de combustão cilíndrica formada pela união de duas luvas de
4” de aço galvanizado (queimador estreito). Para se chegar a potência desejada, foram
utilizados 4 queimadores estreitos. Foi testado também um queimador com as mesmas placas
cerâmicas posicionadas sobre uma câmara de combustão cilíndrica formada pela união de
duas panelas de cozinha de 160 mm de diâmetro (queimador largo).
Na configuração final, foi utilizado também um sistema de aquecimento do
queimador. Este sistema não será mostrado uma vez que se encontra em fase de análise de
viabilidade de um pedido de patente; a publicação das soluções impediria o registro da
patente.
Para início da combustão, foi utilizado um maçarico de gás butano.
b) Sistemas de alimentação de combustível
Foi utilizado um sistema de pulverização de combustível com retorno, uma vez que
permite variar a vazão sem reduzir a pressão de pulverização no bico pulverizador. Foram
testados bicos pulverizadores de 0,25 GPH (galões por hora; 1 galão equivale a 3,758 litros) e
0,4 GPH para óleo diesel. O dimensionamento inicial do sistema encontra-se no Apêndice F.
A bomba de combustível utilizada foi de motocicletas Honda® flex devido ao baixo
custo e confiabilidade. Esta não seria a ideal, uma vez que a pressão de trabalho gira em torno
65
de 3 bar, enquanto os bicos injetores são dimensionados para 7 bar ou mais. Foi utilizada
então a pressão de 4 bar, uma vez que se constatou que esta era a pressão mínima para que
não acontecesse gotejamento no bico pulverizador. Além disso, pressões maiores levariam a
vazões maiores que a necessária para o queimador, além de possivelmente comprometer a
durabilidade da bomba. O controle da pressão foi realizado com o uso de uma válvula de
retorno.
Bomba de combustível do tipo engrenagens utilizada em sistemas de injeção de óleo
diesel não puderam ser utilizadas, uma vez que o próprio óleo lubrifica a bomba, o que não
aconteceria com o etanol. Bombas dosadoras poderiam ser utilizadas, porém seu alto custo
inviabilizaria sua aplicação final.
Foram utilizados regulador de pressão, filtro de combustível e conexões de
combustível da própria Honda®, além de conexões para ar comprimido de ¼” e ½”.
c) Sistemas de alimentação de ar
Foi testado inicialmente um sistema de ventilação forçada utilizado em sopradores
portáteis para secagem de pintura devido ao seu baixo custo e confiabilidade, porém a vazão
foi muito baixa. Posteriormente, foi utilizado um soprador para jardinagem que possibilitou
uma vazão adequada.
Foram utilizadas conexões e tubulação de 1 ¼” e 2” de PVC e aço galvanizado
(próximo ao queimador) para água devido ao baixo custo e facilidade de montagem.
d) Sistemas de medição
O medidor de vazão de ar utilizado foi do tipo rotâmetro, por apresentar pouca perda
de carga e precisão adequada com custo reduzido. Foram adquiridos 2 rotâmetros para
acomodar diferentes vazões uma vez que a calculada inicialmente foi super estimada. Para
medição de consumo de combustível, o método escolhido foi do tipo gravimétrico (balança),
uma vez que medidores para pequenas vazões de líquido apresentam custo elevado.
As pressões foram verificadas com manômetros tipo bourdon. Para medição de
temperatura da placa cerâmica do queimador, foi utilizado um medidor portátil tipo K.
Foi utilizado um medidor portátil tipo eletroquímico para medição do percentual de O2
e CO dos gases de combustão para se compreender melhor a qualidade de combustão. Deve-
se salientar que medições padronizadas de gases de combustão exigiriam retirada de umidade
66
dos gases de combustão, uso de coifa de medição e gases de calibração, além de um medidor
com maior repetibilidade como um medidor tipo infravermelho. Porém, devido ao alto
investimento necessário, estas soluções não foram implementadas. Desta forma, para as
medições realizadas, foram mostradas somente as ordens de grandeza, sem cálculo das
incertezas.
Conforme modelo esquemático na figura 4.9 abaixo, pode se observar como é o
modelo da churrasqueira na sua configuração final. Os componentes utilizados estão listados
na tabela 4.2 abaixo.
67
Figura 4.9 - Modelo de protótipo de churrasqueira a etanol
68
Tabela 4.2 - Especificação dos componentes
Componente Descrição
Sistema de alimentação de ar
SO-01 soprador linha profissional 1,2-2,9 m3/min, ref: Makita
MP-01 manômetro tipo bourdon, ar, 0-1 bar
VC-01 válvula de controle tipo gaveta, 1 1/4", latão
VE-01/02/03/04/05/06/07/08/09 válvula esfera, 1 1/4", PVC
MV-01 rotâmetro, ar, 0-0,2 bar, 1-10 m3/h
MV-02 rotâmetro, ar, 0-0,2 bar, 6-60 m3/h
Sistema de alimentação de
combustível
BA-01 balança semi-analítica, 0-4 kg, resolução 0,01 g
BO-01 bomba de motocicleta, Honda CG 150 Mix, ref: Magnetron
FC-01 filtro de combustível, Honda CG 150 Mix
RP-01 regulador de pressão, Honda CG 150 Mix
FA-01 fonte de alimentação, 5 Amperes, 12 Volts
MP-02 manômetro tipo bourdon, 0-10 bar
VE-10/11/12/13/14 válvula esfera, 1/2", aço
VC-02 válvula de controle tipo agulha, 1/4", aço
BP-01/02/03/04 bico pulverizador, 60o, 0,25 GPH, cone sólido, ref: Steinen
Sistema de queima
QU-01/02/03/04 (queimador estreito) diâmetro de 115 mm, comprimento de 230 mm, placa de cerâmica JackWal
QU-05 (queimador largo) diâmetro de 160 mm, comprimento de 260 mm, placa de cerâmica JackWal
MT-01 tipo K, -50-1300 oC, portátil, ref: Kiltler
AG-01 Analisador de gases eletroquímico (CO e O2), portátil, ref: UEi C75
Nas figuras 4.10 e 4.11 abaixo, pode se observar a instalação na sua configuração
final.
69
Figura 4.10 - Modelo na sua configuração final
Figura 4.11 - Queimadores estreitos na sua configuração final em funcionamento
Foram gastos, no total, por volta de R$ 22 mil de recursos próprios do autor para
aquisição de equipamentos e materiais de consumo.
70
5 RESULTADOS OBTIDOS
5.1 CONFIGURAÇÕES TESTADAS
Foi realizada uma série de testes com diferentes configurações de queimadores e bicos
pulverizadores até se chegar na configuração final. Na tabela 5.1, resumem-se os testes que
foram realizados.
71 Continua
Tabela 5.1 - Configurações testadas
Confi-guraçao
Bico pulverizador Tipo de queimador Variação na configuração Descrição da chama
Grau de gotejamento Comentários
1 0,4 GPH - 45o - cone oco
original modificado - entrada inferior interna e externa +++
2 0,4 GPH - 45o - cone oco
original modificado - entrada lateral
interna, externa e superfície do queimador (não-uniforme) +++
3 0,4 GPH - 45o - cone oco curto e estreito superfície, mais concentrada +++
4 0,4 GPH - 45o - cone oco curto e largo superfície, mais concentrada +++
5 0,25 GPH - 60o - cone sólido curto e estreito
superfície, menos concentrada ++
6 0,25 GPH - 60o - cone sólido curto e largo superfície, mais concentrada ++
7 0,25 GPH - 60o - cone sólido longo e estreito superfície, uniforme +
8 0,25 GPH - 45o - cone sólido longo e estreito superfície, uniforme +
9 0,25 GPH - 60o - cone sólido longo e largo superfície, uniforme +
10 0,25 GPH - 45o - cone sólido longo e largo superfície, uniforme +
11 0,25 GPH - 60o - cone sólido longo e estreito
pressão maior (5 bar) na vazão de combustível - tubo de alimentação de ar de 1 1/4" superfície, uniforme +
12 0,25 GPH - 60o - cone sólido longo e estreito placas cerâmicas com 11 cm de espaçamento
chama azul concentrada na primeira placa +
72 Continuação
Tabela 5.1 - Configurações testadas
Confi-guraçao
Bico pulverizador Tipo de queimador Variação na configuração Descrição da chama
Grau de gotejamento Comentários
13 0,25 GPH - 60o - cone sólido longo e estreito sistema de aquecimento tipo 1 superfície, uniforme zero
vazão de ar estável de 2,6 a 3,2 m3/h
14 0,25 GPH - 60o - cone sólido longo e largo sistema de aquecimento tipo 1 superfície, uniforme zero
vazão de ar estável de 4,0 a 6,2 m3/h
15 0,25 GPH - 60o - cone sólido longo e estreito sistema de aquecimento tipo 2 menor capacidade superfície, uniforme +
16 0,25 GPH - 60o - cone sólido longo e estreito sistema de aquecimento tipo 2 maior capacidade não verificado
não verificado
derretimento da mangueira
17 0,25 GPH - 60o - cone sólido longo e estreito
sistema de aquecimento tipo 1 - 4 queimadores, outro fornecedor de mangueira superfície, uniforme zero
sobreaquecimento da mangueira
18 0,25 GPH - 60o - cone sólido longo e estreito
sistema de aquecimento tipo 1 - 4 queimadores, mesmo fornecedor de mangueira (lote diferente) superfície, uniforme zero
sobreaquecimento da mangueira
19 0,25 GPH - 60o - cone sólido longo e estreito
sistema de aquecimento tipo 1 modificado - 4 queimadores superfície, uniforme +
20 0,25 GPH - 60o - cone sólido longo e estreito
sistema de aquecimento tipo 1 - tubulação de combustível metálica - 4 queimadores superfície, uniforme zero
sobreaquecimento da mangueira
21 0,25 GPH - 60o - cone sólido longo e estreito
sistema de aquecimento tipo 1 - tubulação de combustível metálica alongada - 4 queimadores superfície, uniforme zero
73
Tendo em vista manter o custo de componentes e de investimento futuro baixo, foram
testados inicialmente um queimador original de potência de 5.500 kcal/h (6,397 kW) para
GLP e um bico injetor de 0,4 GPH (mínimo disponível no mercado).
O queimador foi modificado para possibilitar os testes com combustível líquido, sendo
que direcionadores de fluxo internos foram retirados. Foram testadas entradas de ar lateral e
inferior ao queimador.
Com entrada inferior, o queimador apresentou dois modos de queima conforme a
vazão de ar: chama interna e chama externa, não apresentando a chama na superfície do
queimador como esperado.
Com entrada lateral, o queimador apresentou 3 modos de queima: chama interna,
chama externa e chama na superfície. Porém, a chama na superfície se mostrou instável e
apenas em parte da superfície do queimador, com gotejamento de combustível, indicando
combustão incompleta. Este gotejamento de combustível não é desejável, uma vez que
provoca incêndios no sistema de combustão; inclusive, durante os testes das configurações,
ocorreram vários incêndios, que exigiram a troca constante de peças utilizadas e remontagem
do protótipo.
Figura 5.1 - Configurações 1 e 2 (entrada inferior e lateral no queimador original)
Com este resultado negativo, foi montada uma câmara de combustão cilíndrica
utilizando uma luva de 4” de aço galvanizado. Foram posicionados sobre esta luva 2 placas de
cerâmica (no queimador original são 4) e a tela de inox do queimador. Os testes atingiram o
74
modo ideal de chama, porém a vazão de combustível se mostrou elevada com elevado
gotejamento de combustível; o dimensionamento original era para um bico de 0,4 GPH e
previa o queimador original com 4 placas de cerâmicas e não com 2 placas de cerâmica como
testado.
Figura 5.2 - Configuração 3 (queimador curto e estreito)
Deste modo, foram encomendados junto à fabricante Steinen® bicos pulverizadores de
0,25 GPH (mínimo disponível sob encomenda entre os fabricantes). Com intuito de se
melhorar a distribuição da chama, ao invés de um bico pulverizador de cone oco testado
inicialmente, foram encomendados bicos de cone sólido. Os testes com este bico pulverizador
foram satisfatórios. Porém, o gotejamento de combustível ainda se mostrou considerável. Foi
testado também um queimador mais largo, porém não houve diferenças significativas no
gotejamento.
Tendo em vista que o gotejamento poderia ser causado pelo choque de gotas de etanol
com a superfície porosa prematuramente sem uma mistura adequada ar-combustível, foram
montados queimadores largo e estreito com o dobro do comprimento de câmara. Nesta
configuração, o gotejamento de combustível foi bastante reduzido e a distribuição da chama
se mostrou mais uniforme. Foram testados bicos com cone de ângulos de 45º e 60º e não
houve diferenças significativas.
75
Nota: da esquerda para direita e de cima para baixo
Figura 5.3 - Configurações 7, 8, 9 e 10
Com intuito de reduzir o gotejamento, foram feitos testes aumentando a pressão do
combustível e aumentando a velocidade do ar na entrada da câmara de combustão, além de
posicionar uma placa cerâmica adicional para pré-aquecer o combustível. Porém, nenhuma
destas alternativas solucionou o problema.
Este problema também foi relatado por Hall e Peroutka (1995), com o uso de metanol
em um queimador poroso, não conseguindo alcançar a vaporização e combustão completa do
combustível, por causa do seu alto calor latente de vaporização.
Tendo em vista estes aspectos, foram testadas duas configurações de aquecimento do
queimador. As soluções não serão mostradas uma vez que está se verificando a viabilidade de
um pedido de patente; a publicação das soluções impediria o registro da patente.
As soluções de tipo 2 não foram bem sucedidas, ou pela pouca capacidade ou pelo
derretimento da mangueira e das vedações. A solução de tipo 1 foi bem sucedida inicialmente.
76
Então, o sistema foi escalonado para 4 queimadores estreitos; o queimador estreito foi
selecionado uma vez que representaria um menor custo no produto final. Porém, quando foi
feito o escalonamento com mangueira de combustível de outros fornecedores e com
mangueira de combustível de outro lote do mesmo fornecedor, ocorreu o sobreaquecimento
em algumas mangueiras. Com isso, uma série de soluções foi testada para reduzir a
temperatura da mangueira; a solução final retirou qualquer tipo de aquecimento das
mangueiras de combustível.
5.2 MEDIÇÃO DE POTÊNCIA E DE CO
Na sua configuração final, a vazão de combustível medida com uso da balança semi-
analítica foi de 2,37±0,10 kg/h. A vazão mássica real do queimador foi obtida, realizando a
medição da massa inicial do recipiente do etanol e sistema de alimentação de combustível e
após 1 minuto realizando uma nova medição. Com diferença de valores obtidos, corrigidos
pela taxa de evaporação do etanol (obtida com medição da massa inicial do recipiente do
etanol e sistema de alimentação de combustível com o sistema desligado e após 1 minuto
realizando uma nova medição), obteve-se a vazão mássica real do etanol. Foram feitas várias
medições possibilitando o cálculo da incerteza.
Esta vazão foi próxima ao valor dimensionado dentro da margem de incerteza
(Apêndice F). Multiplicando-se pelo PCI do etanol, a potência obtida com os 4 queimadores
foi de 16,4±0,9 kW.
Para se compreender melhor a combustão, a planilha de dimensionamento inicial foi
alimentada com os dados experimentais, conforme Apêndice F.
Foi verificado nos experimentos que a maior variação em relação ao dimensionado foi
na vazão de ar, uma vez que, além de vazão de ar do soprador, ar externo é necessário para
estabilizar a chama na superfície. Para o queimador estreito, por volta de 29% do ar é
fornecido pelo soprador; o restante do ar de combustão é externo.
Em relação ao tamanho do queimador, nota-se que o queimador estreito acomoda uma
menor vazão de ar (2,6 a 3,2 m3/h) para se manter estável em relação ao queimador largo (4,0
a 6,2 m3/h).
À medida que a vazão de ar do soprador é reduzida, a chama tende a se alongar da
placa cerâmica, indicando uma maior necessidade de ar externo. Além disso, a placa cerâmica
tende a se tornar menos radiante.
77
No limite superior de vazão de ar, temporariamente a placa cerâmica se torna mais
radiante, porém, logo depois, a chama perde potência e se recolhe para dentro do queimador,
com chama interna.
Com o uso de um analisador de gases, foram feitas medições de CO e O2, em uma
região superior em 20 cm ao centro do queimador. Posteriormente, a concentração de CO foi
corrigida para um teor de O2 de 3%, conforme equação 5.1 abaixo.
ConcentraçãoCO,corrigida = ConcentraçãoCO,medida*(20,9-3)/(20,9-ConcentraçãoO2, medida) (5.1)
O queimador estreito, com vazão de ar do soprador de 3 m3/h, para um percentual
corrigido de O2 de 3%, apresentou CO da ordem de 1.000 ppm, enquanto o queimador largo
com vazão de ar de 5 m3/h da ordem de 400 ppm.
Provavelmente, as diferenças de CO entre o queimador largo e queimador estreito
devem-se ao fato do largo apresentar um tempo de residência de gases maior e ser estável
com uma maior vazão de ar do soprador, contribuindo para uma maior oxidação do CO.
Nos testes de Kaplan e Hall (1995) e Hall e Peroutka (1995), as emissões de CO para
combustão de heptano foram da ordem de 10 ppm e para metanol foram da ordem de 5.000
ppm para 3% de O2, respectivamente, sendo que na combustão de metanol houve gotejamento
de combustível. Porém, nestes experimentos, com o uso de placas porosas empilhadas, a
estabilidade da combustão foi obtida com excesso de ar do compressor, favorecendo a
oxidação do CO.
Na configuração final, com 4 queimadores estreitos em funcionamento com uma
vazão de ar de 12 m3/h, a churrasqueira apresentou emissões de CO da ordem de 1.500 ppm,
com medição realizada em uma região superior em 20 cm ao centro da churrasqueira, nível
maior do que o queimador individual. Provavelmente, deve-se ao fato de haver maior
competição entre os queimadores para utilização do ar externo.
Para fins comparativos, foram feitas medições com a mesma metodologia em uma
churrasqueira a carvão vegetal e em uma frangueira modelo PRR-051N da PROGÁS®
utilizada no Capítulo 4. A primeira apresentou emissões de CO na ordem de 18.000 ppm,
enquanto a frangueira apresentou emissões da ordem de 200 ppm. Assim, pode se inferir que
a churrasqueira a etanol apresentou valores intermediários de emissões em relação às
churrasqueiras disponíveis no mercado.
Para locais externos, a churrasqueira a etanol não apresentaria riscos, uma vez que, na
posição do consumidor, o nível de CO está na ordem de 1 ppm para 20,9% de O2.
78
5.3 TESTE QUALITATIVO
Foi realizado um teste qualitativo do protótipo para se avaliar se está adequado à sua
aplicação. Tendo em vista o menor custo futuro de investimento e de material, foi testado o
queimador estreito.
Figura 5.4 - Teste de Campo
Figura 5.5 - Cozimento da carne
79
Conforme pode ser observado, o cozimento da carne foi mais desuniforme, indicando
um cozimento mais próximo de uma churrasqueira convencional, em comparação com o
protótipo conceitual de GLP, testado inicialmente. Além disso, não apresentou paladar do
combustível, como ocorre com churrasqueiras a carvão.
5.4 CONSIDERAÇÕES PARA DESENVOLVIMENTO DE PRODUTO
Tendo em vista que o protótipo apresentou performance adequada, as próximas etapas
de desenvolvimento da churrasqueira seriam:
- desenvolvimento de sistema de ignição automática
- desenvolvimento do detector de chama
- encapsulamento do soprador para redução de ruído
- desenvolvimento de placa para automação para ligar/desligar o equipamento
- seleção do tipo de conexão tendo em vista a montagem do produto
- desenvolvimento de design do produto
- avaliação para montagem do produto em churrasqueiras convencionais
- avaliação para montagem em locais fechados
- desenvolvimento da embalagem do produto
- teste de campo para avaliar a receptividade do produto junto aos consumidores
- teste de vida dos principais componentes (bomba, soprador) e do conjunto como um todo
80
6 CONCLUSÕES
A maior parte da matriz energética brasileira é de origem não renovável (55,9 %).
Grande parte dos esforços de substituição de fontes não-renováveis tem se focado no uso em
MCI para veículos de passeio e eletricidade, relevando o uso em queimadores, que
representam grande parte do consumo. Tendo isto em vista, foi estimado o potencial de
substituição de fontes não-renováveis por etanol de 16% (40.342 103 toneladas equivalentes
de petróleo) do total de energia consumida no país, que corresponderia a mais que 3 vezes o
consumo atual de etanol no Brasil, conforme visto no Capítulo 1.
Foi observado que as aplicações comerciais ainda são incipientes na combustão de
etanol fora do âmbito de motores de combustões internas, restrita a queimadores de pequeno
porte, com pouca tecnologia embarcada, enquanto a maior parte das pesquisas se concentra na
substituição de óleo diesel relevando fatores econômicos ou em aplicações de pesquisa básica
sem foco em aplicações comerciais, conforme observado no Capítulo 2.
Com intuito de se selecionar a aplicação mais viável, com potência até 50 kW, foi
desenvolvida uma metodologia tendo em vista três perspectivas: seleção do insumo energético
pelo consumidor, seleção do equipamento pelo consumidor e perspectiva do investidor.
Na perspectiva de seleção do insumo energético pelo consumidor, aplicações que
necessitem serem transportadas apresentaram as melhores notas. Na perspectiva de seleção do
equipamento pelo consumidor, as aplicações de aquecedor de áreas externas, churrasqueira e
fogão portátil se mostraram as mais viáveis. Na perspectiva do investidor, a aplicação
escolhida foi a churrasqueira, uma vez que apresenta volume de mercado considerável, além
de possibilidades de inovação, conforme observado no Capítulo 3.
Para a churrasqueira, foi selecionado um queimador do tipo pulverizador em conjunto
com um meio poroso infravermelho para se conseguir altas taxas de transferência de calor ao
alimento. Foi verificado que o uso de queimadores porosos com combustíveis líquidos é
incipiente, com poucos estudos experimentais e numéricos já realizados, em comparação com
combustíveis gasosos, não havendo queimadores comerciais. Foi realizado o projeto de um
queimador utilizando componentes de baixo custo, conforme observado no Capítulo 4.
Conforme observado no Capítulo 5, durante os testes, a combustão incompleta com
gotejamento de combustível se mostrou um problema frequente. Foi construída uma série de
protótipos até se minimizar o problema. A solução definitiva só foi alcançada com
81
aquecimento do queimador; será verificada a viabilidade de um registro de patente desta
solução.
Foi observado que, para a estabilização da combustão, além de alimentação de ar do
soprador, ar externo também é necessário. Para o queimador estreito, estimou-se em 29% o
percentual de ar fornecido pelo soprador; o restante do ar de combustão é externo. Em relação
ao tamanho do queimador, observou-se que o queimador estreito acomoda uma menor vazão
de ar (2,6 a 3,2 m3/h) para se mantiver estável em relação ao queimador largo (4,0 a 6,2 m3/h).
Em relação a emissões, o queimador estreito com vazão de ar do soprador de 3 m3/h
apresentou emissões de CO da ordem de 1.000 ppm, enquanto o queimador largo com vazão
de ar de 5 m3/h da ordem de 400 ppm, para um percentual corrigido de 3% de O2.
Foi construído um protótipo da churrasqueira com 4 queimadores estreitos alcançando
potência de 16,4±0,93 kW e emissões de CO da ordem de 1.500 ppm. No teste qualitativo, o
queimador apresentou um cozimento adequado da carne. O protótipo final utiliza
componentes de baixo custo, possibilitando uma eventual aplicação comercial futura. Foram
estabelecidas algumas diretrizes para o desenvolvimento de um futuro produto.
Para futuros trabalhos, recomenda-se a utilização da metodologia para outras fontes
renováveis como biodiesel ou energia solar térmica/fotovoltaica. Além disso, a substituição de
fontes não-renováveis por etanol em aplicações industriais com potências acima de 50 kW
poderia ser estudada.
Em queimadores porosos com combustíveis líquidos, mostra-se necessária uma
melhor compreensão do fenômeno de combustão; no caso do etanol, isto se torna ainda mais
relevante, tendo em vista sua combustão incompleta neste tipo de queimador.
82
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91 Continua
APÊNDICE A - CONSUMO FINAL ENERGÉTICO POR FONTE E SETOR, POTENCIAL DE SUBSTITUIÇÃO POR ETANOL E EMISSÕES MITIGADAS
Para cada um dos setores, subsetores (no caso do setor industrial) e fontes, foi analisado se poderia haver ou não a substituição por etanol
e qual seria o impacto do ponto de vista de GEE.
Tabela A.1 - Consumo final energético por fonte e setor, potencial de substituição por etanol e emissões mitigadas
Setores Subsetor Fontes Valores Valores
substítuíveis Reduções mitigadas Critérios utilizados
Energético - Gás natural 6.306 - - no setor energético, não haveria substituição direta, apenas indireta
Energético - Carvão vapor - - - -
Energético - Lenha - - - -
Energético - Outros produtos da cana 12.466 - - no setor energético, não haveria substituição direta, apenas indireta
Energético - Outras primárias renováveis - - - -
Energético - Óleo diesel 1.513 - - no setor energético, não haveria substituição direta, apenas indireta
Energético - Óleo combustível 311 - - no setor energético, não haveria substituição direta, apenas indireta
Energético - Gasolina - - - -
Energético - GLP 5 - - no setor energético, não haveria substituição direta, apenas indireta
Energético - Querosene - - - -
Energético - Gás de cidade 187 - - no setor energético, não haveria substituição direta, apenas indireta
Energético - Coque de carvão mineral - - - -
Energético - Eletricidade 2.678 - - no setor energético, não haveria substituição direta, apenas indireta
Energético - Carvão vegetal - - - -
Energético - Álcool etílico - - - -
Energético - Outras secundárias de petróleo 3.985 - - no setor energético, não haveria substituição direta, apenas indireta
Energético - Outras de carvão mineral - - - -
Residencial - Gás natural 310 310 634 possível substituição por etanol
Residencial - Carvão vapor - - - -
Residencial - Lenha 6.109 6.109 11.865 possível substituição por etanol; uso de lenha tende a dimunir com a evolução de renda
Residencial - Outros produtos da cana - - - -
92 Continuação
Tabela A.1 - Consumo final energético por fonte e setor, potencial de substituição por etanol e emissões mitigadas
Setores Subsetor Fontes Valores Valores
substítuíveis Reduções mitigadas Critérios utilizados
Residencial - Outras primárias renováveis - - - -
Residencial - Óleo diesel - - - -
Residencial - Óleo combustível - - - -
Residencial - Gasolina - - - -
Residencial - GLP 6.535 6.535 16.004 possível substituição por etanol
Residencial - Querosene 3 3 9 possível substituição por etanol
Residencial - Gás de cidade - - - -
Residencial - Coque de carvão mineral - - - -
Residencial - Eletricidade 11.352 2.838 1.895 possível subsituição do chuveiro elétrico; chuveiro elétrico corresponde a 25% do consumo residencial
Residencial - Carvão vegetal 478 478 898 possível substituição por etanol; uso de carvão vegetal tende a dimunir com a evolução de renda
Residencial - Álcool etílico - - - -
Residencial - Outras secundárias de petróleo - - - -
Residencial - Outras de carvão mineral - - - -
Comercial - Gás natural 179 179 366 possível substituição por etanol
Comercial - Carvão vapor - - - -
Comercial - Lenha 97 48 216 possível substituição da lenha de origem não-renovável (50%)
Comercial - Outros produtos da cana - - - -
Comercial - Outras primárias renováveis - - - -
Comercial - Óleo diesel 7 7 21 possível substituição por etanol
Comercial - Óleo combustível 22 22 74 possível substituição por etanol
Comercial - Gasolina - - - -
Comercial - GLP 442 442 1.083 possível substituição por etanol
Comercial - Querosene - - - -
Comercial - Gás de cidade - - - -
Comercial - Coque de carvão mineral - - - -
Comercial - Eletricidade 7.790 - - não haveria potencial (iluminação/condicionamento de ar)
Comercial - Carvão vegetal 91 46 197 possível substituição de carvão vegetal de origem não-renovável (50%)
Comercial - Álcool etílico - - - -
Comercial - Outras secundárias de petróleo - - - -
93 Continuação
Tabela A.1 - Consumo final energético por fonte e setor, potencial de substituição por etanol e emissões mitigadas
Setores Subsetor Fontes Valores Valores
substítuíveis Reduções mitigadas Critérios utilizados
Comercial - Outras de carvão mineral - - - -
Público - Gás natural 40 40 81 possível substituição por etanol
Público - Carvão vapor - - - -
Público - Lenha - - - -
Público - Outros produtos da cana - - - -
Público - Outras primárias renováveis - - - -
Público - Óleo diesel 4 4 13 possível substituição por etanol
Público - Óleo combustível 11 11 35 possível substituição por etanol
Público - Gasolina - - - -
Público - GLP 257 257 630 possível substituição por etanol
Público - Querosene 0 - - -
Público - Gás de cidade - - - -
Público - Coque de carvão mineral - - - -
Público - Eletricidade 3.666 - - não haveria potencial significativo (iluminação/condicionamento de ar)
Público - Carvão vegetal - - - -
Público - Álcool etílico - - - -
Público - Outras secundárias de petróleo - - - -
Público - Outras de carvão mineral - - - -
Agropecuário - Gás natural - - - -
Agropecuário - Carvão vapor - - - -
Agropecuário - Lenha 2.682 1.341 5.960 possível substituição da lenha de origem não-renovável (50%)
Agropecuário - Outros produtos da cana - - - -
Agropecuário - Outras primárias renováveis - - - -
Agropecuário - Óleo diesel 6.184 - - não haveria potencial (uso em motores estacionários e máquinas agrícolas)
Agropecuário - Óleo combustível 24 24 80 possível substituição por etanol
Agropecuário - Gasolina - - - -
Agropecuário - GLP 2 2 6 possível substituição por etanol
Agropecuário - Querosene 0 - - -
Agropecuário - Gás de cidade - - - -
Agropecuário - Coque de carvão mineral - - - -
Agropecuário - Eletricidade 2.298 - - não haveria potencial significativo (motores elétricos, iluminação)
94 Continuação
Tabela A.1 - Consumo final energético por fonte e setor, potencial de substituição por etanol e emissões mitigadas
Setores Subsetor Fontes Valores Valores
substítuíveis Reduções mitigadas Critérios utilizados
Agropecuário - Carvão vegetal 8 4 18 possível substituição de carvão vegetal de origem não-renovável (50%)
Agropecuário - Álcool etílico 11 - - utilização já existente do etanol
Agropecuário - Outras secundárias de petróleo - - - -
Agropecuário - Outras de carvão mineral - - - -
Transportes - Gás natural 1.594 - - não haveria potencial (uso em motores)
Transportes - Carvão vapor - - - -
Transportes - Lenha - - - -
Transportes - Outros produtos da cana - - - -
Transportes - Outras primárias renováveis - - - -
Transportes - Óleo diesel 41.019 - - não haveria potencial (uso em motores)
Transportes - Óleo combustível 1.133 - - não haveria potencial (uso em motores)
Transportes - Gasolina 25.740 - - não haveria potencial (uso em motores)
Transportes - GLP - - - -
Transportes - Querosene 3.651 - - não haveria potencial (uso em motores)
Transportes - Gás de cidade - - - -
Transportes - Coque de carvão mineral - - - -
Transportes - Eletricidade 167 - - não haveria potencial (uso em motores)
Transportes - Carvão vegetal - - - -
Transportes - Álcool etílico 13.008 - - utilização já existente do etanol
Transportes - Outras secundárias de petróleo - - - -
Transportes - Outras de carvão mineral - - - -
Industrial Cimento Gás natural 25 25 51 possível substituição por etanol
Industrial Cimento Carvão vapor 123 - - não haveria potencial (requisito de processo)
Industrial Cimento Lenha 79 40 176 possível substituição da lenha de origem não-renovável (50%)
Industrial Cimento Outros produtos da cana - - - -
Industrial Cimento Outras primárias renováveis 364 - - não haveria potencial (fonte renovável já sendo utilizada)
Industrial Cimento Óleo diesel 72 72 226 possível substituição por etanol
Industrial Cimento Óleo combustível 14 14 47 possível substituição por etanol
Industrial Cimento Gasolina - - - -
Industrial Cimento GLP 18 18 44 possível substituição por etanol
Industrial Cimento Querosene - - - -
95 Continuação
Tabela A.1 - Consumo final energético por fonte e setor, potencial de substituição por etanol e emissões mitigadas
Setores Subsetor Fontes Valores Valores
substítuíveis Reduções mitigadas Critérios utilizados
Industrial Cimento Gás de cidade - - - -
Industrial Cimento Coque de carvão mineral 77 - - não haveria potencial (requisito de processo)
Industrial Cimento Eletricidade 687 - - não haveria potencial significativo (uso de eletricidade para aquecimento)
Industrial Cimento Carvão vegetal 122 - - não haveria potencial (requisito de processo)
Industrial Cimento Álcool etílico - - - -
Industrial Cimento Outras secundárias de petróleo 3.763 - - não haveria potencial (requisito de processo)
Industrial Cimento Outras de carvão mineral - - - -
Industrial Ferro gusa e aço Gás natural 1.036 1.036 2.120 possível substituição por etanol
Industrial Ferro gusa e aço Carvão vapor 1.871 - - não haveria potencial (requisito de processo)
Industrial Ferro gusa e aço Lenha - - - -
Industrial Ferro gusa e aço Outros produtos da cana - - - -
Industrial Ferro gusa e aço Outras primárias renováveis 0 - - -
Industrial Ferro gusa e aço Óleo diesel 35 35 111 possível substituição por etanol
Industrial Ferro gusa e aço Óleo combustível 35 35 116 possível substituição por etanol
Industrial Ferro gusa e aço Gasolina - - - -
Industrial Ferro gusa e aço GLP 26 26 63 possível substituição por etanol
Industrial Ferro gusa e aço Querosene - - - -
Industrial Ferro gusa e aço Gás de cidade 1.242 - - não haveria potencial (resíduo de processo)
Industrial Ferro gusa e aço Coque de carvão mineral 7.522 - - não haveria potencial (requisito de processo)
Industrial Ferro gusa e aço Eletricidade 1.671 - - não haveria potencial significativo (uso de eletricidade para aquecimento)
Industrial Ferro gusa e aço Carvão vegetal 2.783 - - não haveria potencial (requisito de processo)
Industrial Ferro gusa e aço Álcool etílico - - - -
Industrial Ferro gusa e aço Outras secundárias de petróleo 41 - - não haveria potencial (requisito de processo)
Industrial Ferro gusa e aço Outras de carvão mineral 92 - - não haveria potencial (requisito de processo)
Industrial Ferro ligas Gás natural 20 20 41 possível substituição por etanol
Industrial Ferro ligas Carvão vapor - - - -
Industrial Ferro ligas Lenha 70 - - não haveria potencial (requisito de processo)
Industrial Ferro ligas Outros produtos da cana - - - -
Industrial Ferro ligas Outras primárias renováveis - - - -
Industrial Ferro ligas Óleo diesel 7 7 23 possível substituição por etanol
Industrial Ferro ligas Óleo combustível 86 86 286 possível substituição por etanol
96 Continuação
Tabela A.1 - Consumo final energético por fonte e setor, potencial de substituição por etanol e emissões mitigadas
Setores Subsetor Fontes Valores Valores
substítuíveis Reduções mitigadas Critérios utilizados
Industrial Ferro ligas Gasolina - - - -
Industrial Ferro ligas GLP 24 24 58 possível substituição por etanol
Industrial Ferro ligas Querosene 0 - - -
Industrial Ferro ligas Gás de cidade - - - -
Industrial Ferro ligas Coque de carvão mineral 78 - - não haveria potencial (requisito de processo)
Industrial Ferro ligas Eletricidade 582 - - não haveria potencial significativo (uso de eletricidade para aquecimento)
Industrial Ferro ligas Carvão vegetal 436 - - não haveria potencial (requisito de processo)
Industrial Ferro ligas Álcool etílico - - - -
Industrial Ferro ligas Outras secundárias de petróleo 127 - - não haveria potencial (requisito de processo)
Industrial Ferro ligas Outras de carvão mineral - - - -
Industrial Mineração e pelotização Gás natural 707 707 1.448 possível substituição por etanol
Industrial Mineração e pelotização Carvão vapor 430 - - não haveria potencial (requisito de processo)
Industrial Mineração e pelotização Lenha - - - -
Industrial Mineração e pelotização Outros produtos da cana - - - -
Industrial Mineração e pelotização Outras primárias renováveis - - - -
Industrial Mineração e pelotização Óleo diesel 424 424 1.335 possível substituição por etanol
Industrial Mineração e pelotização Óleo combustível 166 166 549 possível substituição por etanol
Industrial Mineração e pelotização Gasolina - - - -
Industrial Mineração e pelotização GLP 28 28 69 possível substituição por etanol
Industrial Mineração e pelotização Querosene 1 1 3 possível substituição por etanol
Industrial Mineração e pelotização Gás de cidade - - - -
Industrial Mineração e pelotização Coque de carvão mineral 61 - - não haveria potencial (requisito de processo)
Industrial Mineração e pelotização Eletricidade 1.082 - - não haveria potencial significativo (uso de eletricidade para aquecimento)
Industrial Mineração e pelotização Carvão vegetal - - - -
Industrial Mineração e pelotização Álcool etílico - - - -
Industrial Mineração e pelotização Outras secundárias de petróleo 534 - - não haveria potencial
Industrial Mineração e pelotização Outras de carvão mineral - - - -
Industrial Não ferrosos e out. metalurg. Gás natural 896 896 1.834 não haveria potencial (requisito de processo)
Industrial Não ferrosos e out. metalurg. Carvão vapor 783 - - não haveria potencial (requisito de processo)
Industrial Não ferrosos e out. metalurg. Lenha - - - -
Industrial Não ferrosos e out. metalurg. Outros produtos da cana - - - -
97 Continuação
Tabela A.1 - Consumo final energético por fonte e setor, potencial de substituição por etanol e emissões mitigadas
Setores Subsetor Fontes Valores Valores
substítuíveis Reduções mitigadas Critérios utilizados
Industrial Não ferrosos e out. metalurg. Outras primárias renováveis - - - -
Industrial Não ferrosos e out. metalurg. Óleo diesel 9 9 27 possível substituição por etanol
Industrial Não ferrosos e out. metalurg. Óleo combustível 1.200 1.200 3.970 possível substituição por etanol
Industrial Não ferrosos e out. metalurg. Gasolina - - - -
Industrial Não ferrosos e out. metalurg. GLP 42 42 102 possível substituição por etanol
Industrial Não ferrosos e out. metalurg. Querosene - - - -
Industrial Não ferrosos e out. metalurg. Gás de cidade - - - -
Industrial Não ferrosos e out. metalurg. Coque de carvão mineral 279 - - não haveria potencial (requisito de processo)
Industrial Não ferrosos e out. metalurg. Eletricidade 2.798 - - não haveria potencial significativo (uso de eletricidade para aquecimento)
Industrial Não ferrosos e out. metalurg. Carvão vegetal 14 - - não haveria potencial (requisito de processo)
Industrial Não ferrosos e out. metalurg. Álcool etílico - - - -
Industrial Não ferrosos e out. metalurg. Outras secundárias de petróleo 595 595 1.873 não haveria potencial (requisito de processo)
Industrial Não ferrosos e out. metalurg. Outras de carvão mineral - - - -
Industrial Química Gás natural 2.022 2.022 4.139 possível substituição por etanol
Industrial Química Carvão vapor 169 169 700 possível substituição por etanol
Industrial Química Lenha 49 24 108 possível substituição de lenha de origem não-renovável (50%)
Industrial Química Outros produtos da cana - - - -
Industrial Química Outras primárias renováveis 89 - - não haveria potencial (fonte renovável já sendo utilizada)
Industrial Química Óleo diesel 20 20 62 possível substituição por etanol
Industrial Química Óleo combustível 323 323 1.068 possível substituição por etanol
Industrial Química Gasolina - - - -
Industrial Química GLP 217 217 532 possível substituição por etanol
Industrial Química Querosene - - - -
Industrial Química Gás de cidade - - - -
Industrial Química Coque de carvão mineral - - - -
Industrial Química Eletricidade 1.922 - - não haveria potencial significativo (uso de eletricidade para aquecimento)
Industrial Química Carvão vegetal 18 9 39 possível substituição de carvão vegetal de origem não-renovável (50%)
Industrial Química Álcool etílico - - - -
Industrial Química Outras secundárias de petróleo 1.880 1.880 5.918 possível substituição por etanol
Industrial Química Outras de carvão mineral - - - -
Industrial Alimentos e bebidas Gás natural 736 736 1.506 possível substituição por etanol
98 Continuação
Tabela A.1 - Consumo final energético por fonte e setor, potencial de substituição por etanol e emissões mitigadas
Setores Subsetor Fontes Valores Valores
substítuíveis Reduções mitigadas Critérios utilizados
Industrial Alimentos e bebidas Carvão vapor 66 66 274 possível substituição por etanol
Industrial Alimentos e bebidas Lenha 2.250 1.125 5.000 possível substituição de lenha de origem não-renovável (50%)
Industrial Alimentos e bebidas Outros produtos da cana 16.120 - - não haveria potencial (fonte renovável já sendo utilizada)
Industrial Alimentos e bebidas Outras primárias renováveis 11 - - não haveria potencial (fonte renovável já sendo utilizada)
Industrial Alimentos e bebidas Óleo diesel 249 249 783 possível substituição por etanol
Industrial Alimentos e bebidas Óleo combustível 148 148 490 possível substituição por etanol
Industrial Alimentos e bebidas Gasolina - - - não haveria potencial (fonte renovável já sendo utilizada)
Industrial Alimentos e bebidas GLP 220 220 540 possível substituição por etanol
Industrial Alimentos e bebidas Querosene 0 - - -
Industrial Alimentos e bebidas Gás de cidade - - - -
Industrial Alimentos e bebidas Coque de carvão mineral - - - -
Industrial Alimentos e bebidas Eletricidade 2.324 - - não haveria potencial significativo (uso de eletricidade para aquecimento)
Industrial Alimentos e bebidas Carvão vegetal - - - -
Industrial Alimentos e bebidas Álcool etílico - - - -
Industrial Alimentos e bebidas Outras secundárias de petróleo 84 84 266 possível substituição por etanol
Industrial Alimentos e bebidas Outras de carvão mineral - - - -
Industrial Têxtil Gás natural 248 248 507 possível substituição por etanol
Industrial Têxtil Carvão vapor - - - -
Industrial Têxtil Lenha 69 69 308 possível substituição de lenha de origem não-renovável (50%)
Industrial Têxtil Outros produtos da cana - - - -
Industrial Têxtil Outras primárias renováveis - - - -
Industrial Têxtil Óleo diesel 5 5 14 possível substituição por etanol
Industrial Têxtil Óleo combustível 34 34 111 possível substituição por etanol
Industrial Têxtil Gasolina - - - -
Industrial Têxtil GLP 40 40 98 possível substituição por etanol
Industrial Têxtil Querosene 0 - - -
Industrial Têxtil Gás de cidade - - - -
Industrial Têxtil Coque de carvão mineral - - - -
Industrial Têxtil Eletricidade 622 - - não haveria potencial significativo (uso de eletricidade para aquecimento)
Industrial Têxtil Carvão vegetal - - - -
Industrial Têxtil Álcool etílico - - - -
99 Continuação
Tabela A.1 - Consumo final energético por fonte e setor, potencial de substituição por etanol e emissões mitigadas
Setores Subsetor Fontes Valores Valores
substítuíveis Reduções mitigadas Critérios utilizados
Industrial Têxtil Outras secundárias de petróleo - - - -
Industrial Têxtil Outras de carvão mineral - - - -
Industrial Papel e celulose Gás natural 848 848 1.736 possível substituição por etanol
Industrial Papel e celulose Carvão vapor 117 117 487 possível substituição por etanol
Industrial Papel e celulose Lenha 1.713 - - não haveria potencial significativo (resíduo de processo de fabricação de celulose)
Industrial Papel e celulose Outros produtos da cana 25 - - não haveria potencial (fonte renovável já sendo utilizada)
Industrial Papel e celulose Outras primárias renováveis 6.338 - - não haveria potencial significativo (resíduo de processo como licor negro)
Industrial Papel e celulose Óleo diesel 164 164 518 possível substituição por etanol
Industrial Papel e celulose Óleo combustível 365 365 1.206 possível substituição por etanol
Industrial Papel e celulose Gasolina - - - -
Industrial Papel e celulose GLP 73 73 178 possível substituição por etanol
Industrial Papel e celulose Querosene - - - -
Industrial Papel e celulose Gás de cidade - - - -
Industrial Papel e celulose Coque de carvão mineral - - - -
Industrial Papel e celulose Eletricidade 1.780 - - não haveria potencial significativo (uso de eletricidade para aquecimento)
Industrial Papel e celulose Carvão vegetal - - - -
Industrial Papel e celulose Álcool etílico - - - -
Industrial Papel e celulose Outras secundárias de petróleo - - - -
Industrial Papel e celulose Outras de carvão mineral - - - -
Industrial Cerâmica Gás natural 1.339 1.339 2.741 possível substituição por etanol
Industrial Cerâmica Carvão vapor 50 50 210 possível substituição por etanol
Industrial Cerâmica Lenha 2.657 1.329 5.905 possível substituição de lenha de origem não-renovável (50%)
Industrial Cerâmica Outros produtos da cana - - - -
Industrial Cerâmica Outras primárias renováveis 66 - - não haveria potencial (fonte renovável já sendo utilizada)
Industrial Cerâmica Óleo diesel 26 26 82 possível substituição por etanol
Industrial Cerâmica Óleo combustível 102 102 337 possível substituição por etanol
Industrial Cerâmica Gasolina - - - -
Industrial Cerâmica GLP 171 171 420 possível substituição por etanol
Industrial Cerâmica Querosene 0 - - -
Industrial Cerâmica Gás de cidade - - - -
100 Continuação
Tabela A.1 - Consumo final energético por fonte e setor, potencial de substituição por etanol e emissões mitigadas
Setores Subsetor Fontes Valores Valores
substítuíveis Reduções mitigadas Critérios utilizados
Industrial Cerâmica Coque de carvão mineral - - - -
Industrial Cerâmica Eletricidade 376 - - não haveria potencial significativo (uso de eletricidade para aquecimento)
Industrial Cerâmica Carvão vegetal - - - -
Industrial Cerâmica Álcool etílico - - - -
Industrial Cerâmica Outras secundárias de petróleo 292 292 918 possível substituição por etanol
Industrial Cerâmica Outras de carvão mineral - - - -
Industrial Outras indústrias Gás natural 1.832 1.832 3.751 possível substituição por etanol
Industrial Outras indústrias Carvão vapor 212 212 882 possível substituição por etanol
Industrial Outras indústrias Lenha 898 449 1.995 possível substituição de lenha de origem não-renovável (50%)
Industrial Outras indústrias Outros produtos da cana - - - -
Industrial Outras indústrias Outras primárias renováveis - - - -
Industrial Outras indústrias Óleo diesel 198 198 622 possível substituição por etanol
Industrial Outras indústrias Óleo combustível 111 111 368 possível substituição por etanol
Industrial Outras indústrias Gasolina - - - -
Industrial Outras indústrias GLP 262 262 642 possível substituição por etanol
Industrial Outras indústrias Querosene 0 - - -
Industrial Outras indústrias Gás de cidade - - - -
Industrial Outras indústrias Coque de carvão mineral - - - -
Industrial Outras indústrias Eletricidade 3.857 - - não haveria potencial significativo (uso de eletricidade para aquecimento)
Industrial Outras indústrias Carvão vegetal 13 7 28 possível substituição de carvão vegetal de origem não-renovável (50%)
Industrial Outras indústrias Álcool etílico - - - -
Industrial Outras indústrias Outras secundárias de petróleo 503 503 1.583 possível substituição por etanol
Industrial Outras indústrias Outras de carvão mineral - - - -
101
APÊNDICE B - LEVANTAMENTO DE CUSTOS DE INSUMOS ENERGÉTICOS
Inicialmente foram levantados os valores de PCI para cada um dos combustíveis:
Tabela B.1 - PCI dos combustíveis (BEN, 2015)
Combustíveis PCI
Etanol (MJ/kg) 26,3
Óleo diesel (MJ/kg) 42,2
GLP (MJ/kg) 46,4
Gás Natural (MJ/Nm3) 36,8
Lenha (MJ/kg) 13,0
Carvão Vegetal (MJ/kg) 27,0
Posteriormente, foram levantados os preços para os insumos conforme metodologia
abaixo e transformados em uma base MJ/kg com base na planilha acima.
Etanol: preços médios em R$/litro por região em agosto de 2015 junto ao site da ANP (2015).
A densidade do etanol utilizada foi de 0,809 kg/litro (BEN,2015).
Óleo diesel: preços médios em R$/litro por região em agosto de 2015 junto ao site da ANP
(2015). A densidade do óleo diesel utilizada foi de 0,840 kg/litro (BEN,2015).
GLP: preços médios por botijão de 13 kg por região em agosto de 2015 junto ao site da ANP
(2015).
Carvão vegetal industrial: pesquisa realizada em agosto de 2015 junto ao site da AMS (2015)
para a cidade de Belo Horizonte (região Sudeste). Para as outras regiões não foram
encontrados dados.
Carvão vegetal residencial: pesquisa realizada em agosto de 2015 junto ao site Buscapé
(2015). O menor preço encontrado foi listado. Para as outras regiões não foram encontrados
dados.
Lenha industrial: pesquisa realizada em agosto de 2015 junto ao site do CEPEA (2015). Para
as outras regiões não foram encontrados dados.
102
Lenha residencial: pesquisa realizada em agosto de 2015 junto ao site Buscapé. O menor
preço encontrado foi listado. Para as outras regiões não foram encontrados dados.
GN: preços em agosto de 2015 com base nas tabelas das concessionárias Comgas (2015) no
estado de São Paulo (Sudeste), Sulgas (2015) no estado do Rio Grande do Sul (Sul), Msgás
(2015) no estado do Mato Grosso do Sul (Centro-Oeste) e Bahiagás (2015) no estado da
Bahia (Nordeste). Os valores de consumos médios foram obtidos junto a ABEGÁS (2012).
Eletricidade: preços médios em R$/MWh por região em agosto de 2015 junto ao site da
ANEEL (2015).
103
APÊNDICE C - CRITÉRIOS DE SELEÇÃO
a) Critérios de seleção do insumo energético pelo consumidor:
- Investimento no equipamento de queima
- Manutenção
- Emissões de GEE
- Facilidade de Transporte
- Emissões de poluentes
- Riscos associados ao custo
- Investimento no equipamento de queima:
Os combustíveis líquidos apresentam o maior valor de investimento de equipamento.
Por isso, preferencialmente as notas dadas foram 2. Em alguns casos, foram dadas notas 1,
para aplicações em que o investimento é muito baixo (por exemplo: chuveiros elétricos,
maçarico). Em alguns casos, foram dadas notas 3 para aplicações que também utilizam óleo
diesel como insumo energético (por exemplo: calefação) ou quando a aplicação não necessita
de queimadores.
Em relação aos pesos, foram dados valores de 25% para aplicações em o investimento
é menor como chuveiro elétrico, maçaricos ou para equipamentos mais disseminados na
população. Para aplicações em que o investimento é maior, o uso é menos disseminado ou uso
é mais frequente (maior impacto do custo do combustível), foram dados pesos de 15 a 20%.
- Manutenção:
Os combustíveis líquidos apresentam o maior valor de investimento de equipamento e
consequentemente no custo de manutenção do equipamento em relação a combustíveis
gasosos e eletricidade. Combustíveis sólidos apresentam uma maior necessidade de
manutenção pela necessidade de limpeza do equipamento após sua utilização. Por isso, para
aplicações em que o uso da eletricidade e de GLP/GN é mais frequente, foram dadas as notas
1 e 2. Para aplicações que utilizam também biomassa e óleo diesel, ou não dependeriam de
equipamentos para combustão com etanol como isqueiros, foram dadas notas 3.
Em relação aos pesos, foram dados pesos de 5% para todas as aplicações.
104
- Emissões de GEE:
O etanol apresenta as menores de GEE, exceto quando comparado com a eletricidade.
Desta forma, para aplicações que utilizam majoritariamente eletricidade (por exemplo:
chuveiro elétrico), foram dadas notas 3. No restante das aplicações foram dadas notas 5.
- Facilidade de Transporte:
O grande diferencial de combustíveis líquidos é sua facilidade de transporte. Foram
dadas notas 5 nas aplicações em geral. Para aplicações sem peso, não foram dadas notas.
Em relação aos pesos, foi dado nenhum peso para aplicações fixas. Para aplicações
que necessitem serem transportadas foram dados pesos de 15% (eventualmente transportadas)
como frangueiras até 45% para aplicações que necessitem serem transportadas em tempo
integral como maçaricos.
- Emissões de poluentes:
O etanol apresenta emissões de gases nocivos e partículas maiores em relação a
combustíveis gasosos e menores em relação à biomassa e ao óleo diesel. Foram dadas notas 1
para aplicações que utilizam exclusivamente eletricidade. Para aplicações convencionais que
utilizam GN/GLP, foram dadas notas 2. Para aplicações que utilizam biomassa e óleo diesel,
como lareira e calefação, foram dadas notas 4.
Em relação aos pesos, foram dados pesos de 10% a 15% para aplicações com interface
direta com o consumidor como fogão, fornos, churrasqueira, lareira. Para aplicações com
pouca interface foram dados pesos de 5%.
- Custo do insumo energético:
O etanol apresenta, para aplicações residenciais, na maior parte das regiões do país, os
maiores custos em uma base energética exceto quando comparado com a eletricidade e carvão
vegetal/lenha. Para aplicações comerciais e industriais, o etanol somente é mais barato que a
eletricidade.
Foram dadas notas 4 para aplicações que utilizam exclusivamente eletricidade como
chuveiros. Para aplicações que utilizam GN/GLP e eletricidade, foram dadas notas 2. Para
aplicações que também utilizam lenha/carvão, foram dadas notas 2. Para aplicações que
utilizam GN/GLP, foram dadas notas 1. Para algumas aplicações portáteis que utilizam GLP
em botijões de pequeno porte, foram dadas notas 3, uma vez que o GLP, nestes casos,
apresenta preços superiores ao etanol.
105
Para aplicações comerciais que utilizam GN/GLP e lenha/carvão vegetal, foram dadas
notas 1.
Em relação aos pesos, foram dados pesos de 40 a 50% para aplicações de uso mais
intenso. Para aplicações portáteis e com uso menos intenso, foram dados pesos de 15 a 25%.
- Riscos associados ao custo:
O etanol apresenta os maiores riscos associados à variação de preços. O etanol não
apresentaria nenhuma vantagem em relação aos combustíveis já utilizados. Desta forma foram
dadas notas 1 para maior parte das aplicações. Para aplicações em que o uso do GLP é
restrito, como saunas e piscinas, foram dadas notas 2.
Em relação aos pesos, foram dados pesos de 10 a 15% para aplicações de uso mais
intenso. Para aplicações portáteis e com uso menos intenso, foram dados pesos de 5%.
b) Critérios de seleção do insumo energético pelo investidor
- Abrangência da solução
- Inovação
- Volume de mercado
- Abrangência da solução:
Este critério está relacionado ao fato do queimador para aquela aplicação ser
específico ou necessitar de poucas adaptações para atendimento de diferentes consumidores.
Isto minimiza o risco de desenvolvimento, uma vez que se a solução não obtiver sucesso em
um mercado, com poucas adaptações pode se efetuar a migração para outras áreas.
Desta forma, foram dadas, por exemplo, notas 1 para aplicações específicas como bico
de bunsen e notas 5 para equipamentos mais transversais como aquecedor de passagem.
- Inovação:
Este critério está relacionado ao fato de ser o pioneiro no mercado e garantir pelo
menos inicialmente barreiras de mercado em relação aos concorrentes como marca e patentes.
Aplicações para os quais já existem produtos a etanol ou que com pequenas modificações
poderiam utilizá-lo, obtiveram notas baixas nestes critérios. Soluções com o uso de poucos
combustíveis atualmente obtiveram notas altas.
106
Desta forma, foram dadas, por exemplo, notas 2 para aplicações como fogão portátil e
notas 5 para equipamentos como autoclave.
- Volume de mercado:
Os produtos com maior volume hoje tendem a ser mais vantajosos, uma vez que a
solução irá atingir uma maior quantidade de consumidores. Além disso, é de interesse do
autor que a solução escolhida tenha um maior impacto na redução de GEE.
Desta forma, foram dadas, por exemplo, notas 5 para aplicações mais vendidas como
fogão e notas 1 para aplicações como bico de bunsen.
c) Critérios de seleção do equipamento pelo consumidor
- Peso
- Estética
- Volume do aparelho
- Operação de adição de insumo energético
- Aquisição de insumo energético
- Variação de potência
- Consumo de insumo energético
- Potência máxima
- Geração de fuligem/odor
- Segurança
- Facilidade de limpeza
- Facilidade de ignição
- Investimento no equipamento
- Facilidade de manutenção
- Facilidade de instalação
- Peso:
O peso do equipamento é dependente do peso do sistema de combustão e o peso do
recipiente de transporte do combustível. Na aplicação de aquecedor de áreas externas o uso do
etanol potencialmente iria reduzir o peso do equipamento pela ausência do botijão de GLP.
Na aplicação de isqueiro e maçaricos, o sistema de combustão do etanol potencialmente seria
107
mais complexo impactando consideravelmente o peso do equipamento. Para outras aplicações
não haveria impactos consideráveis positivos ou negativos com o uso do etanol.
- Estética:
Este critério está relacionado ao fato de ter mais liberdade para criar um design
externo do produto independentemente do combustível utilizado. No caso do aquecedor de
áreas externas, a ausência de botijão permitiria conceber geometrias diferentes de produtos.
No caso da churrasqueira, o uso do carvão vegetal restringe os tipos de geometria do
equipamento; a necessidade de botijão no caso do GLP também restringe as geometrias
possíveis. No caso do maçarico, o uso do etanol impactaria negativamente as geometrias. Nas
outras aplicações, não se observam impactos significativos.
- Volume do equipamento:
Este critério está relacionado ao fato do volume do equipamento poder ser reduzido
com o uso do etanol. No caso do aquecedor de áreas externas, o volume do equipamento
poderia ser diminuído pela ausência de botijão. No caso da churrasqueira, o volume poderia
ser reduzido também, por não ser necessário espalhar o carvão vegetal sobre uma superfície.
No caso do isqueiro e maçarico, o uso do etanol impactaria negativamente o volume do
equipamento. Nas outras aplicações, não se observam impactos significativos.
- Facilidade de adição de insumo energético:
Este critério está relacionado à facilidade de adição de insumo energético. O etanol em
relação ao GLP não traria vantagens significativas; somente em relação ao uso de carvão
vegetal e lenha haveria vantagens, uma vez que a adição destes combustíveis com o
equipamento em funcionamento como em churrasqueiras e lareiras é mais difícil. Em relação
aos cilindros de butano, utilizado em maçaricos, o etanol traria desvantagens, uma vez que a
troca de cilindro é bem simples.
- Facilidade de aquisição de insumo energético:
Este critério está relacionado à quantidade de pontos de vendas disponíveis. Abaixo, a
relação de combustíveis e os pontos de vendas.
108
Tabela C.1 - Combustíveis e pontos de venda
Combustíveis Pontos de venda
Etanol Postos de combustíveis
Carvão vegetal Grandes supermercados, alguns açougues e alguns postos de combustíveis
GLP Distribuidores
Cilindro de butano Algumas lojas de material de construção e tabacarias
Lenha Lojas específicas
Fluido de isqueiro Tabacarias
Pela maior quantidade de postos de combustíveis em relação, pode se concluir que o
etanol é o combustível mais fácil de ser adquirido, apresentando impacto significativo em
relação aos outros combustíveis em todas as aplicações.
- Variação de potência:
Este critério está relacionado à possibilidade de variar a potência do equipamento em
uso e a facilidade de realizar esta tarefa.
No caso do aquecedor, da lareira e churrasqueira, o etanol e o GLP apresentam uma
variação de potência do equipamento simplificada efetuada por meio de válvulas. No caso da
biomassa, a variação de potência é dificultada pela necessidade de adição do combustível ou
apagamento da chama.
Especificamente, no caso do fogão portátil, a variação de potência é feita por meio de
cobrimento de parte da chama, o que também não traz grandes dificuldades. No caso do
isqueiro, a concepção do equipamento impede a variação de potência com o uso de etanol e
fluido de isqueiro.
- Consumo de insumo energético:
Este critério está relacionado ao custo do insumo energético em uma base energética
(R$/MJ). No caso do aquecedor e da lareira, o etanol apresenta custo mais elevado do que o
GLP (P-13), mas mais barato do que a lenha. No caso das outras aplicações, que utilizam
botijões portáteis (P-2) e (P-5), cilindros ou carvão vegetal, o etanol apresenta menores custos
em todas as aplicações.
- Potência máxima:
Este critério está relacionado com a potência máxima que o equipamento atinge com o
determinado combustível. No caso do aquecedor de áreas externas, a potência máxima está
109
limitada à capacidade de evaporação de GLP no botijão, apresentado o etanol uma vantagem
significativa. No caso das churrasqueiras e lareiras, o etanol e combustíveis de biomassa
apresentariam a mesma potência, não trazendo vantagens significativas. No caso do maçarico,
fogão portátil e isqueiro, a potência máxima não seria diferencial para estes produtos.
- Geração de fuligem/odor:
Este critério está relacionado à geração de fuligem/odor emitido pelo combustível
durante sua combustão. Em todas as aplicações que usam GLP/GN, o etanol não apresenta
nenhum diferencial; somente quando há utilização de lenha ou carvão vegetal.
- Segurança:
Este critério está relacionado ao risco de sofrer queimaduras no acendimento e no
aumento de potência do produto. Em todas as aplicações que usam GLP/GN, o etanol não
apresenta nenhum diferencial; somente, quando há utilização de lenha ou carvão vegetal, uma
vez que o usuário muitas vezes se expõe ao risco para o acendimento/aumento deste tipo de
equipamento.
- Facilidade de limpeza:
Este critério está relacionado à facilidade de limpeza do produto. Em todas as
aplicações que usam GLP/GN, o etanol não apresenta nenhum diferencial, uma vez que a
combustão não gera resíduos. Quando há utilização de lenha ou carvão vegetal, há geração de
resíduos que são retirados pelo usuário após o uso.
- Facilidade de ignição:
Este critério está relacionado à facilidade de ignição do combustível. Combustíveis
gasosos apresentam uma maior facilidade em relação a combustíveis líquidos e sólidos.
Nestes casos o etanol apresentaria vantagem somente em relação ao carvão vegetal e lenha.
- Investimento no equipamento:
Este critério está relacionado ao investimento no equipamento de combustão. Em
quase todos os casos o etanol não traria vantagens significativas uma vez que seria necessário
um sistema de combustão mais complexo, exceto no caso do fogão portátil em que o método
de combustão seria do tipo pool fire e no caso do isqueiro o método seria similar aos isqueiros
recarregáveis.
110
- Facilidade de manutenção:
Este critério está relacionado à facilidade de manutenção dos equipamentos. Em todos
os casos o etanol não traria vantagens significativas uma vez que seria necessário um sistema
de combustão mais complexo e consequentemente que demandaria maior manutenção por
parte do usuário.
- Facilidade de instalação:
Este critério está relacionado à facilidade de colocar o equipamento em uso após sua
aquisição do produto ou modificação de sua posição. Não foram observadas vantagens
significativas do etanol em relação a nenhum dos equipamentos analisados.
111
APÊNDICE D - NOTAS DE SELEÇÃO DO INVESTIDOR
Tabela D.1 - Notas de seleção do investidor
Critérios de seleção do investidor
Abrangência da solução Inovação Volume
Cluster Equipamentos 33% 33% 33% Ponderação
alta
pot
ênci
a e
alta
pe
netr
ação
forno 2 4 4 3,33
fogão 3 2 5 3,33
cooktop 3 2 5 3,33
aquec. de água tipo boiler 3 4 3 3,33
aquecedor de passagem 5 2 4 3,67
chuveiro 3 5 5 4,33
alta
pot
ênci
a e
baix
a pe
netr
ação
secadoras de roupas 2 3 3 2,67
aquecedor de ambiente 3 3 3 3,00
calefação 4 3 1 2,67
piscina 4 4 2 3,33
banheiras 4 4 2 3,33
sauna 3 4 2 3,00
piso radiante 1 5 1 2,33
bio-
mas
sa
lareira 4 2 2 2,67
churrasqueira 3 4 3 3,33
apli
caçõ
es p
ortá
teis
aquecedor de área externas 3 4 2 3,00
maçaricos 4 5 2 3,67
isqueiros 1 5 5 3,67
toalheiro 1 4 1 2,00
tochas 3 2 1 2,00
fogão portátil 4 2 2 2,67
cocç
ão
forno diretos 3 3 2 2,67
fornos indiretos 2 3 1 2,00
forno de pizza 2 4 2 2,67
fogão 4 3 3 3,33
frangueira 2 3 1 2,00
chapas quentes 2 3 1 2,00
lava
-ge
m d
e ro
upas
secadoras de roupas 2 3 1 2,00
máquina de lavar 2 3 1 2,00
con-
fort
o té
rmic
o
calefação 4 3 1 2,67
ciclo de absorção para refrigeração 4 3 1 2,67
laze
r piscinas 4 4 2 3,33
sauna 3 4 2 3,00
labo
-ra
tóri
o bico de bunsen 1 5 1 2,33
autoclave 1 5 1 2,33
dive
rsos
se
tore
s central de água quente 4 3 2 3,00
gerador de vapor 4 3 3 3,33
maçaricos 4 4 2 3,33
agro
pecu
ário
secadoras de grãos 4 3 3 3,33
torrefação de grãos 2 3 1 2,00
aquecimento de granjas 3 3 2 2,67
estufas 3 3 2 2,67
112
APÊNDICE E - DIMENSIONAMENTO DA VAPORIZAÇÃO DO ETANOL
Com intuito de se avaliar a possibilidade de se vaporizar o etanol, ao invés de
pulverizá-lo, foi calculada a potência necessária conforme Tabela E.1 abaixo.
Tabela E.1 - Dimensionamento da vaporização do etanol
Cálculo Fontes Unidades Valores
Pressão ambiente (Pamb) dado kPa 102,8
Temperatura ambiente (Tamb) dado oC 20
Potência da aplicação (P) dado kW 7,7
PCIetanol BEN(2015) MJ/kg 26,3 Temperatura de vaporização do etanol (Tetanol,vap) Reid (1987) oC 78,7
Calor específico do etanol (Cpetanol)
Zábranský et al. (1996) apud Henke et al. (2010) kJ/oC.kg 2,6
Calor específico da água (Cpágua) dado kJ/oC.kg 4,18
Entalpia de vaporização do etanol (∆hetanol,vap)
Majer e Svoboda (1985) apud Henke et al. (2010) kJ/kg 840
Entalpia de vaporização da água (∆hágua,vap) Sonntag et al. (2003) kJ/kg 2.378 Percentual de água no etanol (x) Garcia e Brunetti (1992) % 6,90%
Vazão mássica de etanol hidratado (m'etanol) calculado: P/(PCIetanol*1000) kg/s 2,93E-04 Vazão mássica de etanol sem água (m'etanol,s/água) calculado: m'etanol*(1-x) kg/s 2,73E-04
Vazão mássica de água no etanol (m'água) calculado: m'etanol*x kg/s 2,02E-05 Temperatura média para cálculo de Cp (Tm) calculado:( Tamb+Tetanol,vap)/2 oC 49,4
Potência para aquecer a Tetanol,vap (Paquec)
calculado:(m'etanol,s/água*Cpetanol+m'água*Cpágua)* (Tetanol,vap-Tamb) kW 0,047
Potência para vaporizar (Pvap) calculado:
m'etanol,s/água*∆hetanol,vap+m'água*∆hágua,vap kW 0,277
Potência total (Pt) calculado: Paquec+Pvap kW 0,324
Fração da potência necessária para vaporizar o etanol calculado: Pt/P % 4,2%
113
APÊNDICE F - DIMENSIONAMENTO INICIAL E VALORES MEDIDOS
A especificação do bico injetor foi calculada, utilizando-se a tabela F.1 abaixo. Uma
vez que, ao invés de óleo diesel, etanol é utilizado, as vazões devem ser corrigidas
considerando as diferenças de densidade e viscosidade entre os combustíveis. Além disso,
deve ser feita a correção considerando que a pressão da bomba de combustível é menor que a
utilizada para queimadores a óleo.
114
Tabela F.1 - Dimensionamento inicial da vazão de etanol para bico de 0,25 GPH e vazão obtida
Fontes Unidades Valores
Vazão volumétrica do bico (Q'óleo) dado do fabricante GPH 0,25
Densidade do óleo diesel (dóleo) BEN (2015) kg/m3 840
Vazão mássica do bico (m'óleo) calculado: (Q'óleo*3,7854*dóleo)/1000 kg/h 0,79
PCIóleo BEN (2015) kJ/kg 42.200
Potência do bico (Póleo) calculado: (m'óleo*PCIóleo)/3600 kW 9,32
Vazão volumétrica do bico em l/h (Q'l/h,óleo) calculado: Q'óleo*3,7854 litros/h 0,95
Densidade do etanol (detanol) BEN (2015) kg/m3 809 Vazão mássica com etanol corrigida pela densidade (m'd,etanol)
calculado: Q'l/h,óleo*(dóleo/detanol)^
(0,5)*(detanol)/1000 kg/h 0,78
Influência da viscosidade (x) Delavan (2014) - 2,5% Vazão mássica com etanol corrigida pela viscosidade (m'v,etanol) calculado: m'd,etanol*(1-x) kg/h 0,76
Pressão do óleo diesel (póleo) dado do fabricante bar 7
Pressão do etanol (petanol) dado bar 4
Vazão mássica com etanol corrigida pela pressão (m'etanol) calculado: m'v,etanol*(petanol/póleo)^
(0,5) kg/h 0,57
PCIetanol
média de BEN (2015), Bizzo(2013), Dal Bem (2008), Vila Nova (2007) e Melo et
al. (2012) kJ/kg (25,0±0,9)*103
Potência do bico com etanol (Petanol) calculado: m'etanol*PCIetanol kW 3,99
Vazão mássica real (m'etanol,real) medido kg/h 0,592±0,026
Potência do bico com etanol (Petanol,real) calculado: m'etanol,real*PCIetanol kW 4,11±0,23
Observa-se nas tabelas F.2 e F.3 abaixo o dimensionamento inicial para sua aplicação
final. Foi estimada a temperatura do queimador em 750 oC. Com base neste valor e com a
potência do queimador, foi feito todo o dimensionamento do sistema por método iterativo
variando o valor do excesso de ar. Pode se citar como a variável com menor conhecimento a
taxa de transferência de calor por radiação que pode variar de 10-30%. Para o
dimensionamento, foi utilizado um valor intermediário de 20%.
115
Tabela F.2 - Dimensionamento inicial da vazão de ar para bico de 0,25 GPH
Fontes Unidades Valores Taxa de transferência de calor por radiação (q) estimado (15-25%) % 20%
Temperatura ambiente (Tamb) dado oC 25,0
Temperatura máxima de trabalho (Tmáx)
calculado: Tamb+((PCIetanol*MMpond,etanol*1000)*(1-
q))/∑cp*MMpond oC 749,6
Excesso de ar (е) iterado para Tmáx=750 oC - 182% Razão ar-combustível estequiométrica (Rar,comb,est) calculado para e=0 - 8,34 Razão ar-combustível (Rar,comb)
calculado: (MMpond,reag,N2+MMpond,reag,O2)/MMpond,etanol - 23,51
Vazão mássica de ar (m'ar) calculado: Rar,comb*m'etanol kg/h 13,52 Densidade do ar seco em São Paulo a 25 oC dado kg/m3 1,08 Vazão volumétrica de ar (Q'ar) calculado: m'ar/dar m3/h 12,5
Tabela F.3 - Valores da reação química para dimensionamento inicial
Componentes
Massa molecular
(MM)
índices da
reação (i)
Massa Molecular ponderada
(MMpond=MM*i)
cp (kJ/kg)(387
oC) EES cp*MMpond
Produtos
H2O 18 3,19 57 2,062 118
CO2 44 2,00 88 1,108 98
N2 28 31,81 891 1,089 970
O2 32 5,46 175 1,018 178
∑ - 42,46 1.211 - 1.364
Reagentes
C2H5OH 46 1,00 46 H2O no combustível 18 0,19 3,4 Etanol hidratado (6,90% de massa de H2O) - - 49
N2 28 31,81 891
O2 32 8,46 271
%INPM,etanol Bizzo (2013) % 6,90%
Foram realizadas medições de temperatura no centro do queimador obtendo-se uma
temperatura aproximada de 900 oC, superior à temperatura de 750 oC estimada inicialmente.
As medições de temperatura degradavam o termopar, impedindo diversas medições,
impossibilitando o cálculo da incerteza.
Com este valor de temperatura e com as vazões reais de combustível, pôde-se estimar
uma taxa de radiação do queimador por volta de 27%. O cálculo da incerteza também não foi
116
possível, uma vez que, além da impossibilidade de cálculo de incerteza da temperatura do
queimador, a vazão de combustível é correlacionada com esta temperatura, exigindo um
estudo de correlação das duas variáveis.
Deve-se salientar também que foram feitas algumas simplificações como a
temperatura do queimador uniforme e emissividade do queimador igual a 1; infelizmente, o
fornecedor do queimador não dispõe de dados. Além disso, pressupõe-se uma combustão
completa do etanol.
Com todas estas simplificações, pode-se estimar que por volta 71% do ar de
combustão não é disponibilizado pelo soprador, conforme tabelas F.4 e F.5 abaixo.
Tabela F.4 - Dimensionamento final da vazão de ar para bico de 0,25 GPH
Fontes Unidades Valores Potência do bico com etanol (Petanol,real) calculado: m'etanol,real*PCIetanol kW 4,11
Diâmetro do queimador (D) medido m 0,115 Potência por área de queimador (Párea) calculado: Petanol,real/(π*D2/4) kW/m2 396
Temperatura do queimador (T) medido oC 900
Temperatura ambiente (Tamb) dado oC 25,0
Emissividade do queimador (ε) estimado por Hall e Peroutka (1995) - 1
Potência de radiação (Prad) calculado: ε*σstefan-boltzmann*((T+273)4-
(Tamb+273)4)/1000 kW/m2 107 Taxa de transferência de calor por radiação (q) calculado: Prad/Párea % 27%
Temperatura de aquecimento (Taquec) medido oC 120,0
Temperatura máxima de trabalho (Tmáx)
calculado: Taquec+((PCIetanol*MMpond,etanol*1000)*(1-
q))/∑cp*MMpond oC 900,3
Excesso de ar (е) iterado para Tmáx=900 oC - 126% Razão ar-combustível estequiométrica (Rar,comb,est) calculado para e=0 - 8,34
Razão ar-combustível (Rar,comb) calculado:
(MMpond,reag,N2+MMpond,reag,O2)/MMpond,etanol - 18,84
Vazão mássica de ar (m'ar) calculado: Rar,comb*m'etanol,real kg/h 11,15 Densidade do ar seco em São Paulo a 25 oC dado kg/Nm3 1,08
Vazão volumétrica de ar (Q'ar) calculado: m'ar/dar m3/h 10,3 Vazão volumétrica de ar do soprador (Q'sop) medido m3/h 3,0
Diferença dimensionado x soprador calculado: (Q'ar-Q'sop)/Q'ar - 71%
117
Tabela F.5 - Valores da reação química para dimensionamento final
Componentes
Massa molecular
(MM)
índices da
reação (i)
Massa Molecular ponderada
(MMpond=MM*i)
cp (kJ/kg)(527oC)
EES cp*MMpond
Produtos
H2O 18 3,19 57 2,147 123
CO2 44 2,00 88 1,168 103
N2 28 25,49 714 1,122 801
O2 32 3,78 121 1,054 127
∑ - 34,46 980 - 1.154
Reagentes
C2H5OH 46 1,00 46 H2O no combustível 18 0,19 3,4 Etanol hidratado (6,90% de massa de H2O) - - 49
N2 28 25,49 714
O2 32 6,78 217
%INPM,etanol Bizzo (2013) % 6,90%